1、題目二 單缸四沖程柴油機設計一、機構簡介及有關數據1、機構簡介柴油機如圖2-1所示，其中a)為機構簡圖，它將燃料（柴油）燃燒時所產生的熱能轉變為機械能。往復式內燃機的主體機構為曲柄滑塊機構，借氣缸內的燃氣壓力推動活塞3，再通過連桿2使曲柄1作旋轉運動。往復式內燃機有兩沖程和四沖程兩種，本課程設計的是四沖程內燃機，即以活塞在氣缸內往復移動四次（對應曲柄轉兩轉）完成一個工作循環。在一個工作循環中，氣缸內的壓力變化可通過示功圖（或稱容壓曲線）如圖2-1 b)看出，它表示氣缸容積（與活塞位移s成正比）與壓力的變化關系。 a) 機構簡圖 b) 示功圖圖1 單缸四沖程柴油機的機構簡圖和示功圖四沖程內燃機的

2、工作原理如下：進氣沖程：活塞由上止點向下移動，對應曲柄轉角。進氣閥開，空氣開始進入氣缸，此時氣缸內指示壓力略低于1大氣壓力，一般以1大氣壓力計算，如示功圖上的。壓縮沖程：活塞由下止點向上移動，對應曲柄轉角。此時進氣完畢，進氣閥閉，已吸入的空氣受到壓縮，壓力漸升高，如示功圖上的。膨脹（工作）沖程：在壓縮沖程終了時，被壓縮的空氣的溫度已超過柴油自燃的溫度，因此，在高壓下射入的柴油立刻爆炸燃燒，氣缸內壓力突增至最高點，此時燃氣壓力推動活塞由上向下移動對外作功（故又可稱工作沖程），曲柄轉角，隨著燃氣的膨脹，活塞下行，氣缸容積增加，壓力逐漸降低，如示功圖上的。排氣沖程：活塞由下向上移動，曲柄轉角。排氣閥

3、開，廢氣經排氣閥門被驅除，此時氣缸內壓力略高于1大氣壓力，一般亦以1大氣壓力計算，如示功圖上的。示功圖中的即表四個沖程氣缸內的壓力變化情況。進、排氣閥的啟閉是由凸輪機構來控制的，圖2-1 a）中剖面有進、排氣閥各一只（圖示只畫了進氣凸輪）。凸輪機構是通過曲柄軸O上的齒輪Z1和凸輪軸O1的齒輪Z2來傳動的，由于一個工作循環中，曲柄轉將轉兩轉而進、排氣閥則僅各啟閉一次，所以齒輪的傳動比。由上可知，在組成一個工作循環的四個沖程中，活塞只有一個沖程（膨脹沖程）是對外作功的，而其余的三個沖程則需依靠機械的慣性來帶動。因此，曲柄所受的驅動力是不均勻的，所以其速度波動也較大；為了減少速度波動，曲柄軸上裝有飛

4、輪（圖2-1中未示出）。為了使驅動力較均勻和增加內燃機的功率，內燃機常做成多缸的，如兩缸、四缸和六缸等。2、題目數據 表1 原始數據容內號符據數曲柄滑塊機構的運動分析曲柄滑塊機構的動態靜力分析及飛輪轉動慣量確定mmr/minmmkgkgms212080412008018019210.030.0060.020.01凸輪機構的設計齒輪機構的設計mm度 mm度3020501050302244520圖2 凸輪機構從動件加速度圖表2 示功圖數據表工作過程進 氣壓 縮位置編號123456789101112曲柄位置（度）30060090012001500180021002400270030003300360

5、0氣缸指示壓力1111111116.519.535膨 脹排 氣13141516171819202122232437503900420045004800510054005700600063006600690072006025.59.5332.521.511111二、完成論文作業的具體要求:1、機構選型、機構運動簡圖的繪制已知：活塞沖程H、連桿和曲柄之長度比、曲柄每分鐘轉數。要求：根據該機械的工作原理和工作要求，進行機構的選型設計，對各方案進行特點、性能分析，擇優選一；對優選方案繪制機構運動簡圖。1)、設計方案一：1、2都是搖桿，當1轉動時帶動進氣閥（排氣閥）使得柴油機能吸氣或者排氣。2轉動帶動3

6、推動活塞運動實現預期功能。 圖3 方案一結構圖 該方案機構簡單，但是1桿不是直線運動，存在摩擦會使機械效率降低。且輸出傳動裝置，摩擦較大都會影響機械效率。故不合適 2)、設計方案二： 圖4 方案二結構圖圖中1是凸輪，2是傳動輪，3是連桿，4是活塞，5是固定在傳動輪上的搖桿。運動和方案設計一相似，在方案一上改進，減小摩擦，但是凸輪和傳動輪之間是獨立分開的，不方便實現活塞運動四次凸輪運動一次。所以不是很合理。 3)、設計方案三圖5 方案三結構圖凸輪固定在一個齒輪上，曲柄固定在傳動輪上。兩個齒輪嚙合。這樣的好處能夠很方便的實現了活塞運動四次，進氣閥和排氣閥個運動一次的要求。運動可靠。能很好的符合設計

7、的要求，故是合理的。在次設計方案中，該機構有5個活動構件，包括推桿、凸輪、曲柄、連桿、滑動活塞共有3*5=15個自由度，其中運動低副有6個，包括2滑動副，4轉動副；2高副。則機構的自由度F=3n-(2pl+ph)=1，符合機構的設計要求。圖6 機構運動簡圖2、 曲柄滑塊機構的運動分析 圖7 曲柄位置圖已知：曲柄的每分鐘轉數n1，曲柄滑塊機構上各構件的尺寸。要求：應用計算機輔助計算程序計算該機構中機構上各連接點的位移、速度、加速度，并繪制出滑塊的速度線圖和加速度線圖以及運動線圖。注意：在計算位移、速度、加速度時一定要計算出第點（在此點為氣缸指示壓力達最大值）。已知曲柄滑塊的部分運動數據如下內容曲

8、柄滑塊機構符號HLAS2n1單位mmmmr/min數據1208041200設曲柄的長度為r，連桿的長度為l，根據表格有H=（r+l）-（l-r）=120mm，=l/r=4，得出l=240mm，r=60mm。并可由此做出滑塊機構。圖8曲柄滑塊簡圖1） 位移分析：由上圖可根據曲柄滑塊簡圖及幾何知識有：sin0BA/r=sin/l。由于=4，所以sinOBA=sin/4。故 ， （1）根據圖7，基于Excel軟件得出： 表3 位移S數據表S的位置弧度S/mmS000300S1300.523599290.0791S2601.047198264.3075S3901.570796232.379S41202

9、.094395204.3075S51502.617994186.1561S61803.141593180S72103.665191186.1561S82404.18879204.3075S92704.712389232.379S103005.235988264.3075S113305.759587290.0791S123606.283185300 圖9 位移S變化圖2）速度分析根據 （2）利用Excel軟件，將各點的數據帶進入計算得表4 速度v數據表S的位置弧度S/mmv/mpsS0003000S1300.523599290.07912.947249S2601.047198264.30755.

10、693638S3901.570796232.3797.539822S41202.094395204.30757.365717S51502.617994186.15614.592573S61803.1415931800S72103.665191186.1561-4.59257S82404.18879204.3075-7.36572S92704.712389232.379-7.53982S103005.235988264.3075-5.69364S113305.759587290.0791-2.94725S123606.2831853000 圖10 速度v變化圖3）加速度分析 （3）表5 加速度a

11、數據表S的位置弧度S/mmv/mpsa/mps2S0003000947.482S1300.523599290.07912.947249820.6338S2601.047198264.30755.693638473.6549S3901.570796232.3797.5398225.8E-14S41202.094395204.30757.365717-473.827S51502.617994186.15614.592573-820.453S61803.1415931800-947.482S72103.665191186.1561-4.59257-820.453S82404.18879204.307

12、5-7.36572-473.827S92704.712389232.379-7.53982-1.7E-13S103005.235988264.3075-5.69364473.6549S113305.759587290.0791-2.94725820.6338S123606.2831853000947.482 圖11 加速度a變化圖3、 齒輪機構的設計1) 參數設計根據柴油機機構的運動方式，可以確定兩嚙合齒輪傳動為高變位齒輪傳動。高變位齒輪傳動的特點是，小齒輪正變位，齒根變厚；大齒輪負變位。齒根變薄。這樣的好處有：1、可以使大小齒輪的抗彎程度相近，相對的提高了整個機構的承載能力。2、兩齒輪相近，

13、改善了磨損情況。延長了在高速運動的情況下的齒輪的使用壽命。齒輪機構的設計 mm度2244520取 齒頂高系數： ，齒根高系數： 表6 齒輪設計數據表題名公式計算結果(mm)中心距165實中心距170嚙合角0.422rad分配變位系數；x=-0.2941=-1.582X=1.104中心距變動系數1.000傳動比： 2.000齒頂高變動系數： 0.104分度圓直徑 ； =110;=220基圓直徑；=103.373=206.746齒頂高=4.809=9.671齒根高；=5.921=1.059齒頂圓直徑；=119.618=239.341齒根圓直徑；=98.159=217.882節圓直徑；=113.33

14、3=226.667重合度；1.403齒距15.700節圓齒距16.176基圓齒距14.754齒頂圓齒厚=4.000=1.267基圓齒厚=9.141=14.003分度圓齒厚；=8.090=11.627展角=0.02705rad=0.02705rad2) 齒輪嚙合圖的繪制齒輪嚙合圖是將齒輪各部分尺寸按一定的比例尺畫出輪齒嚙合關系的一種圖形。它可直觀地表達一對齒輪的嚙合特性和嚙合參數，并可借助圖形作某些必要的分析。漸開線的畫法漸開線齒廓按漸開線的形成原理繪制，如圖12所示。以小齒輪廓線為例，其步驟如下:1)按表6所列公式計算出各圓直徑db、d、d´、df及da，畫出各相應的圓。 圖12 基

15、本漸開線圖 2)連心線與節圓的交點為節點P。過P點作基圓之切線，與基圓相切于N1，則即為理論嚙合線的一段，也是漸開線發生線的一段。3)將線段分成若干等分: 、 4)根據漸開線的特性N1 O´，因弧長不易測量，可按下式計算N1 O´所對應的弦長 按此弦長在基圓上取O´點。5)將基圓上的弧長N1O'分成同樣等分得基圓上的對應分點1'、2'、3'。6)過點1'、2'、3'作基圓的切線，并在這些切線上分別截切線段，使得、 。得1"、2"、3"諸點。光滑連接0´、1"、

16、2"、3"各個點的曲線即為節圓以下部分的漸開線。7)將基圓上的分點向左延伸，作出5´、6´、7´，取，可得節圓以下漸開線各點5"、6"直至畫到齒頂圓為止。8)當df<db時，基圓以下一段齒廓取為徑向線，在徑向線與齒根圓之間以r=O.2mn為半徑畫出過渡圓角; 當df>db時，在漸開線與齒根圓之間直接畫出過渡圓角。嚙合圖的繪制步驟1)選取比例尺L(mm/mm)，使齒全高在圖樣上有30-5Omm的高度為宜。定出齒輪中心01 、02分別以01、02為圓心作出基圓、分度圓、節圓、齒根圓、齒頂圓。2)畫出工作齒廓的基圓內公

17、切線，它與連心線的交點為節點P，又是兩節圓的切點，內公切線與過P點的節圓切線間夾角為嚙合角´t。，應與按式(4-1)或式(4-2)計算之值相符。3)過節點p分別畫出兩齒輪在頂圓與根圓之間的齒廓曲線。4)按已算得的齒厚和齒距P計算對應弦長和。； （4）按和在分度圓上截取弦長得A、C點，則弧AB=s,弧AC=P （見圖13）5)取AB中點D,連01、D兩點為輪齒的對稱線。用描圖紙描下對稱線右半齒形以為模板畫出對稱的左半部分齒廓及其他相鄰的3至4個齒廓。另一齒輪的作法相同。6)作出齒廓工作段。B1、B2為起始與終止嚙合點，以01為圓心為半徑作圓弧交齒輪1齒廓于b1點，則從b1點到齒頂圓一段

18、齒廓為齒廓工作段。同理可作出齒輪2的齒廓工作段。 圖13 齒輪嚙合圖4、 凸輪機構設計1）運動規律的選擇凸輪機構的設計mm度205010503075圖14 凸輪機構從動件加速度圖根據從動件運動規律圖(附圖3)分析知位移s對轉角的二階導數為常數且周期變換所以確定為二次多項式運動規律。 公式：S=C0+C1+C22 （5）加速階段 0-25° S=2h2/0減速階段 25-50° S=h-2h(0-)2/02 以從動件開始上升的點為=0°據此計算得表7 凸輪從動件上升位移 變化 （單位：°）S() （單位：mm）00101.6206.425103013.64

19、018.4502060207018.48013.68510906.41001.61100根據上表繪制出從動件上升位移S= S() 的變化曲線如下： 圖15 從動件上升位移S= S() 的變化曲線 2）基圓半徑計算圖解法：根據許用壓力角計算出基圓半徑最小值，凸輪形狀選為偏距為零且對稱，從動件的盤型機構位于推程的某位置上，法線nn與從動件速度VB2的夾角為輪廓在B點的壓力角，P12 為凸輪與從動件的相對速度瞬心。故 VP12=VB2=|OP12|，從而有 |OP12| =VB2/1=ds/d。三角形BCP12可知 整理得，基圓半徑 r0=dsdtan-s 將S=S（）和=代入 得： （6）將S=

20、S（），=，取=25°。計算得出29.69。在此取 =33，滾子半徑為5。根據以上數據做出凸輪的理論廓線和實際廓線。解析法(滾子半徑取 5 mm)凸輪理論輪廓曲線的計算:滾子中心處于B點的直角坐標 （7）其中e=0，=33mm，=33mm（1）推程： （8） （2）遠休： （9） (3)回程： (10) (4)近休止： (11)實際輪廓曲線的計算:(1)推程： (12)(2)遠休： (3)回程：(13)(4)近休止時即時 (14)4、導桿機構的動態靜力分析已知：各構件的重量G、繞重心的轉動慣量Js、活塞直徑Dh，示功圖數據見表2以及運動分析計算中的已知條件和計算結果。要求：確定各運動

21、副中反作用力及曲柄上所需的平衡力矩My。平面機構動態靜力分析法,是把作用在機構每一構件上的所有外力,包括慣性力、重力和生產阻力(或驅動力),合并為作用在每一構件上的合成外力和合成力矩M,然后將合力外力F和運動副反力分解為沿選定的直角坐標系的兩坐標軸的分量并列出每一構件件三個動態靜力平衡式.如圖2所示,在此機構中共有四個低副,每個低副中的反力都有兩個未知要素(即反力的方向和大小),此外還有一個平衡力的朱知要素，但由于構件3和4組成移動副,其反力垂直于導路xx,即R43x,且反力的著力點通過B點,故反力對B點的力臂為0。因此該機構共有八個力的未知要素待定,三個活動構件可列出八個力的平衡方程式,故知此機構所有力的未知要索都是可解的。其次,由于運動副的反力Rij表示構件i作用構件j上的反力,而Rij=- Rji,因此對構件進行受力分析時,各個運動副的反力,統一寫成Rij形式(即反力Rji用-Rij表示)。另外,為計算方便,避免正負號的差錯,對左手系建立的直角坐標系,力矩規定順時針為正,逆