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四沖程內(nèi)燃機設計
四沖程內(nèi)燃機設計
一.設計任務
1. 機構(gòu)設計
根據(jù)行程速比系數(shù)K及已知尺寸確定機構(gòu)的主要尺寸,并繪制機構(gòu)運動簡圖1張(A4)。 2. 運動分析
圖解求出連桿機構(gòu)的位置、速度與加速度,繪制滑塊的位移、速度與加速度曲線,完成運動分析圖1張(A2)。 3. 動態(tài)靜力分析
通過計算和圖解,求出機構(gòu)中各運動副的約束反力及應加于曲柄OA的平衡力矩Mb(每人負責完成5~6個位置),完成動態(tài)靜力分析圖1張(A1)。 4. 計算并畫出力矩變化曲線圖1張(A3方格紙)。 5. 計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量JF。 6. 計算發(fā)動機功率。
7. 用圖解法設計進、排氣凸輪,完成凸輪設計圖1張(A3)。 8. 繪制內(nèi)燃機的工作循環(huán)圖1張(A4)。 9. 完成設計說明書(約20頁)。
? 分組及組內(nèi)數(shù)據(jù)見附表1; ? 示功圖見附表2; ? 組內(nèi)成員分功見附表3; ? 課程設計進程表見附表4; ? 四沖程內(nèi)燃機中運動簡圖見附圖1。
二.設計步驟及注意問題
1. 確定初始數(shù)據(jù)
根據(jù)分組情況(附表1),查出設計初始數(shù)據(jù)。
活塞行程 H= (mm) 活塞直徑 D= (mm) 活塞移動導路相對于曲柄中心的距離 e= 行程速比系數(shù) K=
連桿重心c2 至A點的距離 lAC2= 曲柄重量 Q1= 連桿重量 Q2= 活塞重量 Q3= 連桿通過質(zhì)心軸c2的轉(zhuǎn)動慣性半徑?c ?2c= 曲柄的轉(zhuǎn)速
n1= 發(fā)動機的許用速度不均勻系數(shù) [?]= 曲柄不平衡的重心到O點的距離 lOC=lOA 開放提前角:
進氣門:-10°;排氣門: -32° 齒輪參數(shù):
m=3.5(mm); ?=20°;h*a=1;C*?0.25
Z'2=Z2
=14; Z'
3=Z3=72 ;Z1=36
mm) (mm) (N) (N) (N) (mm2)(rpm)
mm) ( (
2. 計算連桿及曲柄的長度
設曲柄長度為r、連桿的長度為l,活塞行程H
?OB??l?r(極限位置1)
OB??l?r(極限位置2)
???180???
K?1
K?1H
2sin?
2
2
可求
R?CBI?
OE?(OC)?(CE)
22
=(OC)?(CD?DE) 22
=R?(Rcos??e)
l?r?(OF)2?e2????????????????(1)
OF?OE?
H 2
??sin?1
OE
OC
?????
l?r?2Rsin
?
2
???????????????????(2)
聯(lián)立(1)、(2)式求解,可求出連桿的長度l及曲柄的長度r。
3. 繪制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖(A4)
根據(jù)曲柄與連桿的尺寸、活塞(滑塊)的行程、活塞移動導路相對于曲柄中心的距離e、各齒輪的參數(shù)等數(shù)據(jù),參照“附圖1”繪制構(gòu)內(nèi)燃機的運動簡圖。 注意:
? ? ? ? ?
嚴格按比例繪制(推薦1:4)
先打好圖紙的邊框,畫好標題欄,再根據(jù)空間的大小合理安排位置畫圖。標題欄放在圖紙的右下方。
凸輪先不畫,待凸輪設計完成后再補畫 樣例中進、排氣閥機構(gòu)有錯,需要找出并更正
圖線、箭頭要規(guī)范、書寫要工整(以機械制圖中的GB為準)。 ? ?
實體用粗實線
齒輪的節(jié)圓用點劃線(間距要基本相同)
? ? ? ?
文字、尺寸(界)線、剖面線用細實線。粗細線比例為2:1。
文字與尺寸標注方向朝上或朝左(在尺寸線上寫時可朝左,如樣圖中的162;無尺寸線時只能朝上,如樣圖中的Z3。上下以標題欄中的文字為準) 假想位置可畫成虛線或雙點劃線(建議用雙點劃線) 尺寸按自己的實際尺寸標注,不要抄樣例尺寸。
4. 運動分析
1)參照圖2設置圖紙布局(A2)
2)在速度“v圖”與加速度“a圖”之間的位置上,畫出曲柄滑塊機構(gòu)的運動簡圖(參照圖3)
具體作法:
以活塞在最高位置時的“A”為起點(記為A0),由A0開始,順時針方向?qū)A等分為12等分,得A0、A1、A2、??,A11共12個點;
找出滑塊在最低位置時曲柄上A點的
'
位置,記為A6;
找出曲柄OA與連桿AB垂直的兩點(此
'時lOB?l2?r2),分別記為A'2和A9。如
此,曲柄回轉(zhuǎn)一周共分為15個位置
'
可近似認為,當曲柄在OA'2和OA9位置時,滑快B的速度為最大值。
注意:
? ?
括號內(nèi)的編號在繪制運動分析圖時不用,繪制動態(tài)靜力分析圖時再使用。 圖中,用粗實線畫出曲柄滑塊的一個位置(任選)。其它14個位置的曲柄與連桿用細實線畫,滑塊不畫,標注出各B點的位置即可。
3)設定合適的比例,畫出機構(gòu)15個位置的速度多邊形
??m/s
? 在“V圖”的左上角清楚注明繪圖比例(?v?)
mm
? ?
速度矢量用粗實線繪制,箭頭長寬比約4/1~5/1,繪圖要規(guī)范、工整 若圖線太短,不夠畫箭頭時,可用小圓點代替箭頭。
4)通過圖解法,求出這15個位置的VBA、VC2、VB、?2的數(shù)值。
? ?
所有公式和計算過程都寫在說明書上,不要寫到圖紙上
在說明書上寫出1個點的求解步驟和方法即可(包括簡圖),其他點直接將所計算數(shù)據(jù)列在表中即可。
表一 機構(gòu)各點速度表
t
5)同理,畫出15個位置的加速度多邊形,求出an
BA、aBA、aBA、?2、aC2、aB的
數(shù)值,并將方法和結(jié)果在說明書中說明和列表。(不同的圖可用不同的比例,注明即可)
表二 機構(gòu)各點加速度表
? ? ?
6)在圖紙的右側(cè)繪制15個點的位移曲線、速度曲線和加速度曲線圖。
坐標與單位要標注清楚
用粗實線繪制
畫出一個完整循環(huán),也就是要畫360°(起點要畫2次),起點和終點的數(shù)據(jù)大小要完全相同(因為是同一個點)。
5. 動態(tài)靜力分析
1)計算活塞上的氣體壓力
P'?pi?F (N) F—活塞的面積(cm2)
?
注意“附表2”表中的數(shù)據(jù)單位是mm,而比例是“(2N/cm2)/mm”,所以查表所得數(shù)據(jù)要進行換算
2)求作用于構(gòu)件上的慣性力
PI2=?m2?ac2 (N) PI3??m3?aB (N)
3)求出活塞上所受合力的大小及方向
???'?
P?P?PI3?Q3
4)求作用于構(gòu)件上的慣性力矩
2
JC2?m2??C (Kg·m2)
MI2??JC2?2 (N·m)
?
注意轉(zhuǎn)動慣量統(tǒng)一單位
5)在A1圖紙上等分規(guī)劃好位置(根據(jù)分組情況等分5~6份),見圖4。
? ? ? ?
所有的力(力矩)尺寸、標題欄、邊框等的標注要符合國標要求,每張圖紙都要畫邊框和標題欄 基本桿組、力多邊形盡可能畫大一些
不同的力多邊形的比例可以不同,但需要分別標注清楚繪圖比例
nt
6)以連桿2為研究對象,將作用在構(gòu)件2上A點處的反力R12分解為R12和R12t(方向先假設,用虛線畫參見圖5-a),取?MB=0,求出R12。
(a) (b)
取?MB?0,設M逆時針為正,則
t
R12?lAB?Q2?h2??l?PI2?h1??l?MI2?0
即
t R12?
?Q2?h2??l?PI2?h1??l?MI2
lAB
t
t
?
若R12的計算結(jié)果為正,表示圖中R12的方向假設正確;若為負,表示R12的實際方向與假設相反。
t
?n
7)以構(gòu)件2、3為示力體,取?F?0,利用圖解法求出R12和R03(參見圖5-b)
?
先畫已知力,建議從P開始,參照圖5-b順序
?
8)以構(gòu)件3為示力體,取?F?0,求出R
23
?
9)以構(gòu)件1為示力體(圖7-b),(構(gòu)件1的重力忽略不計),取?F?0,求出R01,再由?M0=0,求出Mb。
?
R21由圖5-b求得(圖中虛線)
(a) (b)
6. 繪制力矩變化曲線Mb=Mb(?)
1)把Mb=Mb(?)曲線作為Md=Md(?)曲線(驅(qū)動力矩曲線)
將同組同學所得30個Mb值,畫在一張A4方格紙上,作出Md=Md(?)曲線,參見圖8。
? ?
注明比例和單位,本圖不用畫邊框和標題欄,但要在右下方寫明圖名稱和姓名
在本課程設計中,?1的方向為順時針,當Mb與?1的方向相反時為正,畫在橫坐標的上方。
2)以Mb的平均值作為阻抗力矩Mr(常數(shù))。這是因為在周期性的速度波動中,一個波動周期內(nèi)的輸入功等于輸出功。即?d??r??E?0
(a)首先求出下列各單元的面積(圖8-a):
?
,單位為mm,在橫坐標之下為負值,f1,f2??f6表示各單元的面積(以φ軸為界)在橫坐標之上為正值。
2
(b)求出阻抗力矩(Mr?Mr(?))的縱坐標H:
H?
?
f1?f2?f3?f4?f5?f6
(mm)
L
H的單位為毫米,當乘上比例尺
?M
b
之后為
Mr之值。
(c)根據(jù)求出的H值,畫出Mr=Mr(?)阻抗力矩曲線(參見圖8-b,水平線)
7. 飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定
?
在本課程設計中,決定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量時,不考慮機構(gòu)各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。
1)求出圖8-b中下列各單元的面積(以Mr為界):
f1'、f2'、f3'、f4'、f5'、f6'、f7'
? 在阻抗力矩曲線之上的面積表示盈功,在阻抗力矩曲線之下面積表示虧功。 ? 盈功為正,虧功為負值。
2)根據(jù)上面各單元的面積求相應的功
W1?f1'??Md??? W2?f2'??Md???
W3?f3'??Md??? W4?f4'?Md??? W5?f5'?Md??? W6?f6'??Md??? W7?f7'??Md???
3)求出在各個位置上功的累積變化量?W
?Wa?W1(Nm) ?Wb? W1+W2(Nm) ?Wc? W1+W2+W3(Nm) ?Wd???(Nm) ?We??? (Nm)
?Wf??? (Nm) ?Wg???(Nm)
根據(jù)上面各值找出
Wmax??? (Nm) Wmin??? (Nm)
4)求出最大盈虧功?Wmax
?Wmax=Wmax?Wmin=??(Nm)
5) 根據(jù)許用不均勻系數(shù)[?],求出等效構(gòu)件上所需的等效轉(zhuǎn)動慣量: Je?
6)確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量:
?Wmax
2?m
?kg?m? (??2
m
?
2?n1
) 60
Je?JF?Jc
按題意: 不考慮各構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量
? ?
8. 計算發(fā)動機功率 N?
9. 凸輪的輪廓設計
Jc忽略不擠 JF?Je
H?L??Mb???
2
?
n11?(HP) 60750
1)兩凸輪的推程角均為60°,回程角均為60°,遠休止角均為10°。 2)分別選擇兩凸輪推程和回程的運動規(guī)律。 3)用圖解法設計凸輪的輪廓(A3)。
?
需畫出s
??
曲線與凸輪的輪廓曲線。
10. 繪制內(nèi)燃機工作循環(huán)圖
以曲柄作為定標構(gòu)件,曲柄每轉(zhuǎn)兩周為一工作循環(huán)。畫出各執(zhí)行機構(gòu)在位置上協(xié)調(diào)配合工作的循環(huán)圖(A4)。
?
為了保證機械在工作時各執(zhí)行構(gòu)件間動作的協(xié)調(diào)配合關(guān)系,在設計機械時應編制出用
以表明機械在一個工作循環(huán)中各執(zhí)行軟件運動配合關(guān)系的工作循環(huán)圖(也叫運動循環(huán)圖)。 在編制工作循環(huán)圖時,要從機械中選擇一個構(gòu)件作為定標件,用它的運動位置(轉(zhuǎn)角或位移)作為確定其他執(zhí)行構(gòu)件運動先后次序的基準。
?
?
本圖中曲柄的位置是指在機構(gòu)運動簡圖中所畫的曲柄位置,兩圖要統(tǒng)一。
11. 補畫進、排氣凸輪,完成機構(gòu)運動簡圖。
? ?
凸輪推程的起點必須與工作循環(huán)圖中所求得的位置相對應,不能隨意畫。要確保曲柄連桿轉(zhuǎn)到進氣(或排氣)位置時,進氣(或排氣)閥已經(jīng)提前開啟。 凸輪的推程、遠休、回程等角度要與凸輪的輪廓設計相對應。
12. 將設計過程整理,寫成20頁左右的詳細說明書。
附表1:各組初始數(shù)據(jù)
12
附表1續(xù):各組初始數(shù)據(jù)
單位:mm
13
附表2:示功圖、表 單位:mm
14
附表3:組內(nèi)成員分工
6
5人一組數(shù)據(jù)分配
15
附表4:課程設計進程表
附圖1:四沖程內(nèi)燃機
四沖程內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖 比例:1:4
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