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1、机械原理 课程设计说明书 设 计 题 目：单缸柴油机主体机构 院（系、部）： 工程学院 专业： 农业机械化及其自动化 班级： 121 学号： 设计者 ： 指 导 教 师： 2014 年 6 月 9 日 机械原理课程设计 1 目录 目录 1、机构简介与设计数据 （1）机构简介 （2）设计数据 2、设计内容及方案分析 （1）齿轮机构的设计 （2）凸轮机构的设计 3、设计体会 4、主要参考文献 机械原理课程设计 2 单缸四冲程柴油机 1、机构简介与设计数据 （1）机构简介 柴油机（如附图1（a） ）是一种内燃机，他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
2、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=0180。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=180 360。此时进气完毕， 进气阀关闭，已吸入的空气受到压缩
3、，压力渐高，如示功图上的bc。 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 =360540。随着 燃气的膨胀，气缸容积增加，压力逐渐降低，如图上cb。 排气冲程：活塞上行，曲柄转角 =540720。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 ba。 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
4、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。 机械原理课程设计 3 附图 1（a） 附图 1（b） 机械原理课程设计 4 （2）设计数据 设计数据表 1 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 LAS2n1DkD G1G2G3Js1Js2Js3 单位mm mm r/min mm N Kgm2 数据120 4 80 3000 100 200 210 20 10 0.1 0.05 0.2 1/100 设计数据表 2 位置编号1 2 3
5、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/(10 5Nm2) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6.5 19.5 35 工作过程进气压缩 1213 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 2、设计内容及方案分析 （2）齿轮机构的设计 已知：齿轮齿数Z1，Z2，模数
6、 m ，分度圆压力角 ，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。 机械原理课程设计 5 1）传动类型的选择： 按照一对齿轮变位因数之和（x1+x2）的不同，齿轮传动可分为零传 动、正传动和负传动。 零传动就是变位因数之和为零。零传动又可分为标准齿轮传动 和高度变为齿轮传动。 高变位齿轮传动具有如下优点：小齿轮正变位，齿根变厚，大 齿轮负变位，齿根变薄，大小齿轮抗弯强度相近，可相对提高齿轮机 构的承载能力 ; 大小齿轮磨损相近，改善了两齿轮的磨损情况。因 为在柴油机中配气齿轮要求传动精确且处于高速运动中，为提高使用
7、 寿命高变位齿轮较为合适 。 2）变位因数的选择： 此次设计应用封闭图法， 查表计算得 x1=0.23 x 2=-0.23, 数据查 表得具体参考齿轮设计与实用数据速查第34 页内容（张展主编机械工业 出版社） 3）齿轮机构几何尺寸的计算： 齿轮 m=51 且为正常齿制故 ha*=1 ， c*=0.25 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=m cos 啮合角 2020 中心距 a(a) 165 节圆直径 d 110 220 中心距变动因数y 0 齿高变动因数 0 =x1+x2-y 齿顶高 ha
8、 6.15 3.85 ha=(ha* +c*- )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 a 1.65 分度圆齿厚 s 7.85 齿顶厚 sa 7.11 3.79 机械原理课程设计 6 4) 根据以上数据作出齿轮传动啮合图（如图1） 图 1 （3）凸轮机构的设计 已知：从动件冲程h，推程和回程的许用压力角 , , 推程运动角 ， 远休止角 s，回程运动角 ，从动件的运动规律如( 附图 3) 所
9、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 s 附图 3 从动件运动规律图 机械原理课程设计 7 1）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 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+C1+C22 加速阶段 0-25 S=2h 2/ 0 减速阶段 25-50 S=h-2h(0-) 2/ 0 2 以从动件开始上升的点为=0 据此计算得 （单位：） S() （单位： mm ） 0 0 10 1.6 20 6.4 25 10 30 13.6 40 18.4 50 20
10、 60 20 70 18.4 80 13.6 85 10 90 6.4 100 1.6 110 0 根据上表绘制出从动件上升位移 S= S( ) 的变化曲线（如图2） 机械原理课程设计 8 图 2 2）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 nn 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=|OP12|， 从而有|OP12| =VB2/ 1=ds/d 。 由上图中的三角形 BCP12可知 tan = 整理得基圆半径 机械原理课程设
11、计 9 将 S=S （）和 =代入 得： r020mm 在此我取 r0=34mm 滚子半径选取rr=4mm 3)作出凸轮设计图 根据以上数据作出凸轮的实际廓线及理论廓线（如图3） 。 图 3 机械原理课程设计 10 3、设计体会 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况而定， 大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
12、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， 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。 总而言之，这次的设计让我成长了许多！ 4、主要参考文献 机械原理课程设计指导书（ 戴娟主编机械工业出版社） 机械原理教程（第 2 版） （张伟社主编西北工业大学出版社） 齿轮设计与实用数据速查 （ 张展主编机械工业出版社） 汽车拖拉机学第一册（许绮川主编中国农业出版社）