题目二 单缸四冲程柴油机设计一、机构简介及有关数据1、机构简介柴油机如图2-1所示，其中a)为机构简图，它将燃料（柴油）燃烧时所产生的热能转变为机械能。往复式内燃机的主体机构为曲柄滑块机构，借气缸内的燃气压力推动活塞3，再通过连杆2使曲柄1作旋转运动。往复式内燃机有两冲程和四冲程两种，本课程设计的是四冲程内燃机，即以活塞在气缸内往复移动四次（对应曲柄转两转）完成一个工作循环。在一个工作循环中，气缸内的压力变化可通过示功图（或称容压曲线）如图2-1 b)看出，它表示气缸容积（与活塞位移s成正比）与压力的变化关系。 a) 机构简图 b) 示功图图1 单缸四冲程柴油机的机构简图和示功图四冲程内燃机的工作原理如下：进气冲程：活塞由上止点向下移动，对应曲柄转角。进气阀开，空气开始进入气缸，此时气缸内指示压力略低于1大气压力，一般以1大气压力计算，如示功图上的。压缩冲程：活塞由下止点向上移动，对应曲柄转角。此时进气完毕，进气阀闭，已吸入的空气受到压缩，压力渐升高，如示功图上的。膨胀（工作）冲程：在压缩冲程终了时，被压缩的空气的温度已超过柴油自燃的温度，因此，在高压下射入的柴油立刻爆炸燃烧，气缸内压力突增至最高点，此时燃气压力推动活塞由上向下移动对外作功（故又可称工作冲程），曲柄转角，随着燃气的膨胀，活塞下行，气缸容积增加，压力逐渐降低，如示功图上的。排气冲程：活塞由下向上移动，曲柄转角。排气阀开，废气经排气阀门被驱除，此时气缸内压力略高于1大气压力，一般亦以1大气压力计算，如示功图上的。示功图中的即表四个冲程气缸内的压力变化情况。进、排气阀的启闭是由凸轮机构来控制的，图2-1 a）中剖面有进、排气阀各一只（图示只画了进气凸轮）。凸轮机构是通过曲柄轴O上的齿轮Z1和凸轮轴O1的齿轮Z2来传动的，由于一个工作循环中，曲柄转将转两转而进、排气阀则仅各启闭一次，所以齿轮的传动比。由上可知，在组成一个工作循环的四个冲程中，活塞只有一个冲程（膨胀冲程）是对外作功的，而其余的三个冲程则需依靠机械的惯性来带动。因此，曲柄所受的驱动力是不均匀的，所以其速度波动也较大；为了减少速度波动，曲柄轴上装有飞轮（图2-1中未示出）。为了使驱动力较均匀和增加内燃机的功率，内燃机常做成多缸的，如两缸、四缸和六缸等。2、题目数据 表1 原始数据容内号符据数曲柄滑块机构的运动分析曲柄滑块机构的动态静力分析及飞轮转动惯量确定mmr/minmmkgkgms212080412008018019210.030.0060.020.01凸轮机构的设计齿轮机构的设计mm度 mm度3020501050302244520图2 凸轮机构从动件加速度图表2 示功图数据表工作过程进 气压 缩位置编号123456789101112曲柄位置（度）300600900120015001800210024002700300033003600气缸指示压力1111111116.519.535膨 胀排 气13141516171819202122232437503900420045004800510054005700600063006600690072006025.59.5332.521.511111二、完成论文作业的具体要求:1、机构选型、机构运动简图的绘制已知：活塞冲程H、连杆和曲柄之长度比、曲柄每分钟转数。要求：根据该机械的工作原理和工作要求，进行机构的选型设计，对各方案进行特点、性能分析，择优选一；对优选方案绘制机构运动简图。1)、设计方案一：1、2都是摇杆，当1转动时带动进气阀（排气阀）使得柴油机能吸气或者排气。2转动带动3推动活塞运动实现预期功能。 图3 方案一结构图 该方案机构简单，但是1杆不是直线运动，存在摩擦会使机械效率降低。且输出传动装置，摩擦较大都会影响机械效率。故不合适 2)、设计方案二： 图4 方案二结构图图中1是凸轮，2是传动轮，3是连杆，4是活塞，5是固定在传动轮上的摇杆。运动和方案设计一相似，在方案一上改进，减小摩擦，但是凸轮和传动轮之间是独立分开的，不方便实现活塞运动四次凸轮运动一次。所以不是很合理。 3)、设计方案三图5 方案三结构图凸轮固定在一个齿轮上，曲柄固定在传动轮上。两个齿轮啮合。这样的好处能够很方便的实现了活塞运动四次，进气阀和排气阀个运动一次的要求。运动可靠。能很好的符合设计的要求，故是合理的。在次设计方案中，该机构有5个活动构件，包括推杆、凸轮、曲柄、连杆、滑动活塞共有3*5=15个自由度，其中运动低副有6个，包括2滑动副，4转动副；2高副。则机构的自由度F=3n-(2pl+ph)=1，符合机构的设计要求。图6 机构运动简图2、 曲柄滑块机构的运动分析 图7 曲柄位置图已知：曲柄的每分钟转数n1，曲柄滑块机构上各构件的尺寸。要求：应用计算机辅助计算程序计算该机构中机构上各连接点的位移、速度、加速度，并绘制出滑块的速度线图和加速度线图以及运动线图。注意：在计算位移、速度、加速度时一定要计算出第点（在此点为气缸指示压力达最大值）。已知曲柄滑块的部分运动数据如下内容曲柄滑块机构符号HLAS2n1单位mmmmr/min数据1208041200设曲柄的长度为r，连杆的长度为l，根据表格有H=（r+l）-（l-r）=120mm，=l/r=4，得出l=240mm，r=60mm。并可由此做出滑块机构。图8曲柄滑块简图1） 位移分析：由上图可根据曲柄滑块简图及几何知识有：sin0BA/r=sin/l。由于=4，所以sinOBA=sin/4。故 ， （1）根据图7，基于Excel软件得出： 表3 位移S数据表S的位置弧度S/mmS000300S1300.523599290.0791S2601.047198264.3075S3901.570796232.379S41202.094395204.3075S51502.617994186.1561S61803.141593180S72103.665191186.1561S82404.18879204.3075S92704.712389232.379S103005.235988264.3075S113305.759587290.0791S123606.283185300 图9 位移S变化图2）速度分析根据 （2）利用Excel软件，将各点的数据带进入计算得表4 速度v数据表S的位置弧度S/mmv/mpsS0003000S1300.523599290.07912.947249S2601.047198264.30755.693638S3901.570796232.3797.539822S41202.094395204.30757.365717S51502.617994186.15614.592573S61803.1415931800S72103.665191186.1561-4.59257S82404.18879204.3075-7.36572S92704.712389232.379-7.53982S103005.235988264.3075-5.69364S113305.759587290.0791-2.94725S123606.2831853000 图10 速度v变化图3）加速度分析 （3）表5 加速度a数据表S的位置弧度S/mmv/mpsa/mps2S0003000947.482S1300.523599290.07912.947249820.6338S2601.047198264.30755.693638473.6549S3901.570796232.3797.5398225.8E-14S41202.094395204.30757.365717-473.827S51502.617994186.15614.592573-820.453S61803.1415931800-947.482S72103.665191186.1561-4.59257-820.453S82404.18879204.3075-7.36572-473.827S92704.712389232.379-7.53982-1.7E-13S103005.235988264.3075-5.69364473.6549S113305.759587290.0791-2.94725820.6338S123606.2831853000947.482 图11 加速度a变化图3、 齿轮机构的设计1) 参数设计根据柴油机机构的运动方式，可以确定两啮合齿轮传动为高变位齿轮传动。高变位齿轮传动的特点是，小齿轮正变位，齿根变厚；大齿轮负变位。齿根变薄。这样的好处有：1、可以使大小齿轮的抗弯程度相近，相对的提高了整个机构的承载能力。2、两齿轮相近，改善了磨损情况。延长了在高速运动的情况下的齿轮的使用寿命。齿轮机构的设计 mm度2244520取 齿顶高系数： ，齿根高系数： 表6 齿轮设计数据表题名公式计算结果(mm)中心距165实中心距170啮合角0.422ra