单缸四冲程柴油机课程设计说明书.docx
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单缸四冲程柴油机课程设计说明书
《机械原理》
课程设计说明书
设 计 题 目：
单缸四冲程柴油机
院（系、部）：
机械工程学院
专业：
材料成型及控制工程
班级：
01 班
学号：
1003040124
设计者 ：
解志强
指 导 教 师：
王靖
2012 年 12 月 20 日
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
第 1 章 设计要求………………………………………………
（2）
1.1设计任务……………………………………………
（2）
1.2设计思路……………………………………………
（2）
1.3机构简介…………………………………………… （3）
1.4设计数据…………………………………………… （4）
第 2 章连杆机构设计和运动分析……………………… （5）
2.1连杆机构的设计要求……………………………… （5）
2.2杆件尺寸确定……………………………………… （5）
2.2杆件运动的分析与计算…………………………… （5）
2.3图解法作杆件的运动分析………………………… （7）
第 3 章 齿轮机构传动设计………………………………… （8）
3.1齿轮机构的设计要求……………………………… （8）
3.2齿轮参数的计算…………………………………… （8）
第 4 章 凸轮机构设计……………………………………… （11）
4.1凸轮机构的设计要求………………………………（11）
4.2运动规律的选择……………………………………（11）
4.3基圆半径的计算……………………………………（12）
4.4凸轮设计图…………………………………………（13）
课程设计小结…………………………………………………… （14）
参考文献………………………………………………………… （14）
1
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
第 1 章
设计要求
1.1设计任务
设计一个四冲程内燃机。
机器的功能与设计要求：
该机器的功能是
把化学能转化成机械能。
须完成的动作为：
活塞的吸气，压缩，做功，
排气 4 个过程，进，排气门的开关与关闭、燃料喷射。
1.2设计思路
设计四冲程内燃机的关键点在于活塞的吸气，压缩，做功，排气以
及气门的开闭几个动作的完成。
而怎样将这个几个动作完成并按照运动
循环图结合起来这是我们完成这次课程设计所需要解决的问题。
所以，
我将从这些方面入手，依据这些需要来选择机构。
1.3机构简介
柴油机（如附图 1（a））是一种内燃机，它将燃料燃烧时所产生的热
能转变成机械能。
往复式内燃机的主体机构为曲柄滑块机构，以气缸内
的燃气压力推动活塞 3 经连杆 2 而使曲柄 1 旋转。
本设计是四冲程内燃机，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
由示功图（用示功器从气缸内测得，如附图 1（b）所示），它表示汽缸
容积（与活塞位移 s 成正比）与压力的变化关系，现将四个冲程压力变
化做一简单介绍。
进气冲程：
活塞下行，对应曲柄转角 θ=0°→180°。
进气阀开，
燃气开始进入汽缸，气缸内指示压力略低于 1 个大气压力，一般以 1 大
气压力算，如示功图上的 a → b。
压缩冲程：
活塞上行，曲柄转角 θ=180°→ 360°。
此时进气完毕，
进气阀关闭，已吸入的空气受到压缩，压力渐高，如示功图上的 b→c。
做功冲程：
在压缩冲程终了时，被压缩的空气温度已超过柴油的自
2
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
燃的温度，因此，在高压下射入的柴油立刻爆燃，气缸内的压力突然增
至最高点，燃气压力推动活塞下行对外做功，曲柄转角 θ=360°
→540°。
随着燃气的膨胀，气缸容积增加，压力逐渐降低，如图上
c→b。
排气冲程：
活塞上行，曲柄转角 θ=540°→720°。
排气阀打开，
废气被驱出，气缸内压力略高于 1 大气压，一般亦以 1 大气压计算，如
图上的 b→a。
进排气阀的启闭是由凸轮机构控制的。
凸轮机构是通过曲柄轴 O 上
的齿轮 Z1 和凸轮轴上的齿轮 Z2 来传动的。
由于一个工作循环中，曲柄
转两转而进排气阀各启闭一次，所以齿轮的传动比 i12 =n1/n2=Z1/Z2 =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
是对外做功的，其余的三个冲程则需一次依靠机械的惯性带动。
（a）机构简图（b）示功图
3
设计内
容
曲柄滑块机构的运动分析
曲柄滑块机构的动态经历分析及飞轮转动惯量的确定
符号
H
λ
lAS2
n1
Dh
D
G1
G2
G3
Js1
Js2
Js3
δ
单位
mm
mm
r/min
mm
N
Kg·m2
数据
120
4
80
1500
100
200
210
20
10
0.1
0.05
0.2
1/100
齿轮机构的设计
凸轮机构的设计
Z1
Z2
m
α
h
Φ
Φs
Φ′
[α]
[α]′
mm
°
mm
°
22
44
5
20
20
50
10
50
30
75
位置编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
曲柄位置
（°）
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
气缸指示压
力
5 2
/（10 N·m ）
1
1
1
1
1
1
1
1
1
6.5
19.5
35
工作过程
进 气
压 缩
12′
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
375
390
420
450
480
510
540
570
600
630
660
690
720
60
25.5
9.5
3
3
2.5
2
1.5
1
1
1
1
1
做 功
排 气
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
图 1-1柴油机机构简图及示功图
1.4设计数据
4
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
第 2 章
连杆机构的运动分析
2.1连杆机构的设计要求
已知：
活塞冲程 H，连杆与曲柄长度之比 λ，曲柄每分钟转数 n1。
要求：
设计曲柄滑块机构，绘制机构运动简图，做机构滑块的位移、
速度和加速度运动线图。
2.2杆件尺寸的确定
曲柄位置图的做法如附图 2 所示，以滑块在上指点是所对应的曲柄
位
置为起始位置（即 θ=0°），将曲柄圆周按转向分成 12 等分分得 12 个
位
置 1→12，12′（θ=375°）为气缸指示压力达最大值时所对应的曲柄
位
置，13→24 为曲柄第二转时对应的各位置。
1）设曲柄长度为 r，连杆长度为 I，由已知条件：
λ=I/r=4，H=（I+r）-（l-r）=2r=120mm
可得 r=60mm，l=240mm 按此尺寸做得曲柄滑块机构的机构运动简
图。
S
O
𝜑
B 12 12′
rI111
A102
93
84
75
6
图 2-1曲柄滑块机构运动简图图 2-2曲柄位置图
5
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
2.2杆件运动的分析与计算
𝑟𝑠𝑖𝑛𝜑 𝑠𝑖𝑛𝜑
由几何知识：
sin∠OBA=
𝑙
=
4
得：
cos∠OBA=
1 ‒ （ 𝑠𝑖𝑛𝜑 2
（2-1）
∴s=rcos𝜑+I cos∠OBA= rcos𝜑+I
1 ‒ （ 𝑠𝑖𝑛𝜑 2
（2-2）
𝜔𝑙𝑠𝑖𝑛2𝜑
𝑑𝑠
V=𝑑𝑡=-ωrsin𝜑-4）
（2-3）
A =
dV
dt
⎡
⎢
⎢
⎢
2 ⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
2
+ 64 cos 2ϕ 1 - ç ⎪
2
32 1 - ç ⎪
⎝ 4 ⎭
2
322 ⎢1 - ç ⎪ ⎥
⎢ ⎝ 4 ⎭ ⎥
2
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
（2-4）
把各点的角度分别代入上式（2-2）（2-3）（2-4）得：
S1=S11=290.079mmS2=S10=264.307mm
S3=S9=232.379mmS4=S8=204.307mm
S5=S7=186.156mmS6=180.000S12=300.000mm
V1=-V11=-5.741m/sV2=-V10=-9.207m/s
V3=-V9=-9.425m/sV4=-V8=-7.117m/s
6
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V5=-V7=-3.684m/sV6=V12=0m/s
a1=a11=1282.86m/s2a2=a10=739.401 m/s2
a3=a9=-1.598 m/s2a4=a8=741.036 m/s2
a5=a7=-1281.34 m/s2a6=-1478.9 m/s2
2.3图解法作杆件的运动分析
o
量 pb 表示 vb ，向量 pa 则表示 OA 杆做圆周运动的速度 va 。
图 2-3点 1 的速度分析图
有：
v
b
=
v
a
+
v
ab
方向：
B→O ⊥OA⊥AB
大小：
？
ϖ r
2
？
7
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
第 3 章
齿轮机构的设计
3.1齿轮机构的设计要求
已知：
齿轮齿数 Z1，Z2，模数 m，分度圆压力角 α，齿轮为正常齿
制，再闭式润滑油池中工作。
要求：
选择两轮变位系数，计算齿轮各部分尺寸，用 2 号图纸绘制
齿轮传动的啮合图。
3.2齿轮参数的计算
1）齿轮基本参数：
注：
下面单位为 mm
模数：
m=5压力角：
α = 20o
齿数：
z1 =22
z2 =44
齿顶高系数：
齿根高系数：
传动比：
1）
*
c* = 0.25
i = z2 / z1
8
（3-
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齿顶高变动系数：
2）
分度圆直径：
σ = x1 + x2 - y
d1 = mz1
d 2 = mz2
（3-
（3-
3）
基圆直径：
4）
5）
齿顶高：
db1 = mz1 cosα
db2 = mz2 cosα
*
（3-
（3-
（3-
6）
*
（3-
7）
齿根高：
o
（3-
8）
*
（3-
9）
齿顶圆直径：
d a1 = d1 + 2ha1
（3-
10）
d a2 = d 2 + 2ha2
（3-
11）
齿根圆直径：
d f 1 = d1 - 2h f 1
（3-
12）
9
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d f 2 = d 2 - 2h f 2
（3-
13）
2）实际中心距 a' 的确定：
a = m ⨯
14）
（z1 + z2 ）
2
（3-
a' =（a/5+1） ⨯ 5
（3-
15）
3）啮合角α ' ：
cos（α '） =
m（z1 + z2 ）
2 ⨯ α '
⨯ cos（α ）
（3-
16）
invα ' = 2 tanα （x1 + x2 ） /（z1 + z2 ） + invα
（3-
17）
4）分配变位系数 x1、x2 ；
zmin =
*
sin 2 α
≈ 17
（3-
18）
**
（3-
19）
x1 + x2 =
（invα ' - invα ）（z1 + z2 ）
2 tan α
（3-
20）
5）中心距变动系数y=（ a' - a ）/m（3-
21）
6）重合度：
ε =
1
2π
[z1 （tanα a1 - tanα '） + z2 （tanα a2 - tanα '）]
（3-
10
名称
小齿轮
大齿轮
计算公式
变位因数 x
0.23
-0.23
分度圆直径 d
110
220
d=mz
法向齿距 Pn
14.76
Pn=πm·cosα
啮合角 α′
20°
20°
中心距 a（a′）
165
节圆直径 d′
110
220
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
22）
α a1 = cos-1 （db1 / d a1 ）
α a2 = cos-1 （db2 / d a2 ）
（3-
23）
一般情况应保证 ε ≥ 1.2
7） 齿顶圆齿厚：
sa1 = s1
ra1
r1
- 2ra1 （invα a1 - invα ）
（3-
24）
sa2 = s2
ra2
r2
- 2ra2 （invα a2 - invα ）
（3-
25）
一般取 sa ≥ 0.25
8）分度圆齿厚：
s1 =
1
2
πm + 2x1m tanα
（3-
26）
1
2
（3-
27）
11
中心距变动因数 y
0
齿高变动因数 σ
0
σ=x1+x2-y
齿顶高 ha
6.15
3.85
ha=（ha* +c*-σ）m
齿根高 hf
5.1
7.4
hf=（ha* +c*-x）m
齿全高 h
11.25
11.25
h=ha+hf
齿顶圆直径 da
122.3
227.7
da=d+2ha
齿根圆直径 df
99.8
205.2
df=d-2hf
重合度 εa
1.65
分度圆齿厚 s
7.85
齿顶圆齿厚 Sa
7.11
3.79
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凸轮机构的设计
4.1凸轮机构的设计要求
已知：
从动件冲程 h，推程和回程的许用压力角[α],[α]′,推程
运动角 Φ，远休止角 Φs，回程运动角 Φ′，从动件的运动规律如（附
图 3）所示。
要求：
按照许用压力角确定凸轮机构的基本尺寸，选取滚子半径，
画出凸轮实际廓线。
并画在 2 号图纸上
12
δ （单位：
°）
S（δ） （单位：
mm）
0
0
10
1.6
20
6.4
25
10
30
13.6
40
18.4
50
20
60
20
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s′
图 4-1从动件运动规律图
4.2运动规律的选择：
根据从动件运动规律图（附图 3）分析知位移 s 对转角 φ 的二阶导数
为常数且周期变换，所以确定为二次多项式运动规律。
公式：
S= C0 + C1δ + C 2δ
2
（4-
1）
加速阶段：
0-25°
S=2hδ2/δ0
（4-2）
减速阶段：
25-50°
S=h-2h（δ0-δ）2/δ02
（4-3）
以从动件开始上升的点为 δ=0°
13
70
18.4
80
13.6
85
10
90
6.4
100
1.6
110
0
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4.3基圆半径计算
根据许用压力角计算出基圆半径最小值，凸轮形状选为偏距为零且对
称。
如下图所示，从动件的盘型机构位于推程的某位置上，法线 n—n 与
从动件速度 VB2 的夹角为轮廓在 B 点的压力角，P12为凸轮与从动件的
相对速度瞬心。
故 VP12=VB2=ω|OP12|，
从而有|OP12| =VB2/ω1=ds/dδ。
计算可知
|𝑂𝑃12| 𝑑𝑠/𝑑𝛿
tanα==
𝑆0 ‒ 𝑆 = 𝑟0 + 𝑠
整理得基圆半径
将 S=S（δ）和 α=[α]代入 得：
r0≥20mm在此我取 r0=34mm
滚子半径选取 rr=4mm
4.4凸轮设计图
根据以上数据做出凸轮的实际廓线及理论廓线，如下图所示：
14
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
图 4-1凸轮的实际轮廓线及理论轮廓线
课程设计小结
经过几天不断的努力，身体有些疲惫，但看到劳动后的硕果，心中
又有几分喜悦。
总而言之，感触良多，收获颇丰。
通过认真思考和总结，机械设计存在以下一般性问题：
机械设计的
过况而定，大程是一个复杂细致的工作过程，不可能有固定不变的程序，
设计过程须视具体情致可以分为三个主要阶段：
产品规划阶段、方案设
计阶段和技术设计阶段。
值得注意的是：
机械设计过程是一个从抽象概
念到具体产品的演化过程，我们在设计过程中不断丰富和完善产品的设
计信息，直到完成整个产品设计；设计过程是一个逐步求精和细化的过
程，设计初期，我们对设计对象的结构关系和参数表达往往是模糊的，
15
湖南科技大学机械原理课程设计（论文）
许多细节在一开始不是很清楚，随着设计过程的深入，这些关系才逐渐
清楚起来；机械设计过程是一个不断完善的过程，各个设计阶段并非简
单的安顺序进行，为了改进设计结果，经常需要在各步骤之间反复、交
叉进行，指导获得满意的结果为止。
获得这份拥有是我们团队共同努力的结果。
我们通过默契的配合，
精细的分工，精诚的合作，不断的拼搏，共同完成了这一艰巨而又光荣
的任务。
在这里，特别要感谢一下王老师。
经过他的精心指导，我们
多了几分激情，少了几分麻烦，多了几分灵感，少了几分忧虑。
参考文献
[1]张展. 齿轮设计与实用数据速查[M]. 北京:
机械工业出版社,2003
[2]张伟社.机械原理教程（第 2 版）[M]. 北京:
西北工业大学出版社,2005
16
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