单缸四冲程柴油机设计及静力分析

单缸四冲程柴油机设计及静力分析,自己劳动所得!

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 00 1800。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a b。

压缩冲程：活塞由下止点向上移动，对应曲柄转角 1800 3600。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b c。 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 3600 5400，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c b。

排气冲程：活塞由下向上移动，曲柄转角 5400

7200。排气阀开，废气经排

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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b a。示功图中的a b c b a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y y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i12 n1n2 Z2Z1 2。

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

a

图2凸轮机构从动件加速度图 表2示功图数据表

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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n1。

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

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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。

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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12 点（在此点为气缸指示压力达最大值）。

，λ=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

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1） 位移分析：由上图可根据曲柄滑块简图及几何知识有：

sin∠0BA/r=sinφ/l。由于λ=4，所以sin∠OBA=sinφ/4。

故cos OBA

S=rcos +lcos OBA=rcos +（1）

根据图7，基于Excel软件得出：

表3 位移S数据表

图9 位移S变化图

2）速度分析 根据v=

dS=﹣ rsin dt（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

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图10 速度v变化图

3）加速度分析

dv2 a rcos

dt

32 1 (sin/4)

l （3）

表5 加速度a数据表

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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

，齿根高系数：c 0.25

取齿顶高系数：

ha 1.0

表6 齿轮设计数据表

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啮合角

cos ( )

m( z1 z 2 ) cos ( ); 2

0.422rad

inv 2 tan ( x1 x2 ) /( z1 z 2 ) inv 分配变位 系 数

zmin 2ha / sin 2 17x 2 min ha ( z min z 2 ) / z min ;

x1 min ha ( z min z1 ) / z min

x1min =-0.2941 x2 min =-1.582X=1.104 1.000

x1、x2

(inv inv )( z1 z 2 ) x= x1 x2 ; 2 tan 中心距变 动系数 传动比：

y (a a ' ) / mi z 2 / z1

2.000

齿顶高变 动系数： 分度圆直 径 基圆直径

x1 x2 y

0.104

d1 mz1 ; d 2 mz 2

d1 =110; d 2 =220 db1 =103. …… 此处隐藏：4798字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……