原 机械原理课程设计报告

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1、一、机器简介 1-1 设计机器功能简介 内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转 换为动力的热力发动机。通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。 活塞式内燃机以往 复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热 能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其 他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和 膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是 为更好地实现作功过程而需要的过程。四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行 程内完成一个工作循环，此间曲

2、轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门 关闭；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩 上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气 行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工 作循环。 1-2 设计参数 1-3 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 1-5 绘制整机工作的运动循环图 准确的运动循环图决定了每个机构之间的配合与联系，对于我们选定每个机构

3、间的联 系方式具有决定性作用。可以说，机器的运动循环图就是机器执行机构的协调图，其 目的是使机器能够进行生产工作，故有称作机器的工作循环图。 内燃机的运动分析 进气门打开，气缸开始进气，当进气结束后，进气门关闭，活塞开始压缩，当压缩到 一定程度后，喷油嘴喷出雾化的燃料，火花塞放电点火，此时燃料燃烧迅速膨胀对活塞做 功，做功完成后，活塞再一次压缩，排气门打开，废气排出，废气排出后，排气门关闭， 进入下一次循环。二、设计减速系统 三、设计执行机构 3-1 活塞机构的选定 活塞的设计要求活塞是内燃机中最重要的一个部件，它在气缸中做往复运动，并且有一定的行程，受 到比较大的压力，所以活塞要求有一定的强

4、度，不宜磨损、可靠，最重要的是能够保证持 续的往复运动。在设计活塞的机构时，必须循依照它的设计要求来对机构进行筛选，以获 得最满意的机构。 活塞在内燃机的气缸中做往复运动，完成对气体的压缩过程，气体膨胀也是对活塞做 功，再通过与活塞相连的机构将由化学能转化成的机械能输出。可以说，活塞是内燃 机设计中最为主要的一个部件。 活塞机构方案的比较 用来完成往复运动的机构有很多，比如连杆机构，凸轮 完成往复运动，我最先想到的就是连杆机构中的曲柄滑块机构，如图 3-1 所示曲柄滑块机构是我们在机械原理学习中最常见的一种机构。它由曲柄的转动带动滑块 的往复运动，曲柄是整周副，而与曲柄相连的另一根杆是一个摆动

5、副，摆动副与滑块 相连，整体构成了曲柄滑块机构。而且图 3-1 所示的是一个对心曲柄滑块机构，同时 极位夹角 =0,因而不存在急回特性，可以保证稳定的输出在我们所学过的机构中还有凸轮机构也能够完成往复运动，如图 3-2 所示 此凸轮机构为一个滚子从动件的凸轮机构，凸轮是一个具有曲线轮廓的构建，它运动 时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。而且只要设 计出适当的凸轮轮廓，便可以使从动件得到任意的预期运动，并且机构简单、紧凑、设计方便。但是凸轮也有不足：1）凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于 传力不大的场合；2）凸轮轮廓加工比较困难；3）从动件的行程不能过大，否

6、则会使 凸轮变得笨重。图 3-1 曲柄滑块机构 图 3-2 凸轮机构以上就是我们最常用的两种实现往复运动的机构，两者各有自己的优点与不足。要选 择出一种合适的机构必须综合各个方面的因素，如制造成本、工艺性、寿命 活塞机构的选定 曲柄滑块机构和凸轮机构两者先比较，凸轮机构不能不适用于行程较大的从动件，且 不能受到过大的力，也易磨损。内燃机的活塞有一定的运动行程，同时当气体被压缩以及 膨胀时都给了活塞很大的压力。同时，活塞在气缸中不停的做往复运动，使用凸轮机构很 容易使凸轮被磨损，导致严重的后果。而曲柄滑块机构则克服了这些缺点，它可以经受住 很大的力，同时也不会被磨损，也能够保证一定的行程，因而对

7、于活塞机构，我选择了曲 柄滑块机构，它符合活塞的设计要求的。 活塞机构选择的结论 活塞机构我们选择采用曲柄滑块机构。3-2 气门机构的设计要求气门主要做间歇性的往运动，我们需要它运动到一定位置后保持一段时间再回复，与 活塞相比，气门受到的压力可以忽略，因而不要求气门具有很高的强度。 选择气门的设计要求，最主要的就是要保证间歇的往复运动。气门机构的选定气门在内燃机中做间歇的往复运动，有一定时间的停顿，首先让我想到的便是凸轮机构， 同时能够完成间歇运动的还有棘轮机构，不完整齿轮机构，槽轮机构 气门机构方案的比较首先我想到的便是凸轮机构 见图 3-3,凸轮机构在间歇运动时有着很明显的有点 图 3-3

8、 气门的凸轮机构 棘轮和不完整齿轮，它们可以完成间歇运动，但是不能保证往复运动，尤其棘轮易磨 损，故不考虑做为气门的机构。槽轮也是可以满足间歇运动，但是不能完成往复运动。因 而对于气门机构，我们只能选择凸轮机构，这是唯一的同时也是最好的选择。 凸轮与导杆接触方式的选择凸轮与导杆的常用接触方式有 3 种：尖底接触，图 3-4（a） ；滚子接触，图 3-4（b） ， 平底接触，图 3-4（c） 。对如图所示的凸轮机构进行分析。当凸轮如图上所示 方向旋转时，1 点到 2 点之间，杆保持不动，此时气门关 闭，当从 3 点运动到 2 点的时间内，气门被顶起，此时气 门一直保持打开，可以进气或者排气。当从

9、 2 点运动到 1 点过程中，气门逐渐下落，但扔保持打开，当运动到 1 点 时，气门完全关闭。可见，凸轮机构可以很好的满足气门 的设计要求。（a） (b） (c)图 3-4 凸轮与导杆的接触方式图 3-4（a）中所示的尖底从动件，在凸轮与导杆的接触过程中，导杆的尖底易磨损， 因而运动速度不能过快，而且尖底从动件在运动过程中压力角可能过大而导致卡住。图 （c）中所示的平底从动件凸轮机构，凸轮轮廓曲线与平底接触处的共法线永远垂直于平底， 压力角恒等于零，但是，平底从动件只能与外凸的轮廓曲线相作用，在使用时有一定的局 限性；图（c）中所示的滚子从动件的凸轮机构，它结合了（a） ， （c）两种凸轮结构

10、的优点， 同时还能在高的转速下保证好的耐磨性，这正是能够满足内燃机中气门高速反复开闭要求 的结构，所以我选择图 3-4（b）中的滚子从动件凸轮机构。气门机构选择的结论通过上面的比较，凸轮机构的优点显而易见，凸轮机构能够保证间歇的往复运动并且 机构简单、紧凑、设计方便。而且气门的运动行程短，受到的力并不是很大，因而凸轮的 磨损也很小。气门细节设计气门分为进气阀门和排气阀门。排气阀门和进气阀门在气体压缩时受到一定的压力， 但是我们需要排进阀门是在燃料点燃膨胀后排气时才打开，在那之前受到压力也不能打开， 所以我们要使用外加的强制力将排气门拉住，这里我选择最常见最简单的弹簧，具体结构 见图 3-5 所

11、示的排气阀们的强制关闭措施。3-5 排气阀们的强制关闭措施完整气门机构方案的最终确定一个完整的气门机构的主体便是凸轮机构，凸轮机构完成了排气阀门和进气阀门的间 歇性往复运动，弹簧保证了排气阀门在排气时才打开。完整气门的示意图如图 3-6。图 3-6 完整的排气门机构进气阀门的结构与排气阀门的基本一致，只是凸轮的装的方向与排气阀门的不同，以 保证排气阀门和进气阀门的交替打开。这个在之后的机构间的运动安排时讨论。1 便是强制将排气阀门 2 拉住的弹簧，当然这 个弹簧在排气阀关闭时要处于拉伸状态，当气体 燃烧膨胀后，同时排气门的凸轮将排气阀顶开时， 排气门才会打开进行排气，因为弹簧一直处于拉 伸状态

12、，而且在一定的受力情况下，排气阀不能 打开，因而弹簧的弹性系数有一定的要求。 这也是一个非常复杂的设计，在这次设计中暂且 不讨论。图 3-6 中，1 是排气阀门，2 是将阀门强制拉住的 弹簧，3 是凸轮。当凸轮按所示方向转动时，开始排气 阀门保持不变，此时阀门收到气体的压力，但是因为 2 弹簧将其拉住，因而此时排气门不会打开。当气体膨胀 后，此时凸轮应转到凸处，将排气门顶开，进行排气。3-3 火花塞和喷油嘴的设计火花塞的设计火花塞的作用是把点火线圈产生的高压电（1 万伏特以上）引入发动机气缸，在火花 塞电极的间隙之间产生火花点燃混合气。火花 塞的工作环境极为恶劣，以一台普通四冲程 汽油机的火花

13、塞为例，在进气冲程时温度只有 60，压力 90KPa；而在点火燃烧时，温度 会瞬间上升至 3000，压力达到 4000KPa；这种急冷急热的交替频率很高，不是一般材料 所能应付得了，还要保证绝缘性能，因此对火花塞的材料要求也就很苛刻了。火花塞关键 部分是绝缘体，如果绝缘体不起作用，高压电就会“抄小路”而不经两极入地，造成无火 花现象。火花塞的绝缘体必须 要有良好的机械性能和耐高电压、耐高温冲击，耐化学腐蚀 的能力，普通火花塞多采用以氧化铝为基础的陶瓷做成。 火花塞的尺寸是全世界统一的， 任何汽车上都 可以通用，但由于汽油发动机类型有区别，因此火花塞也会分有二种基本类 型，冷型和热型。冷型与热型

14、是相对而言，它反映了火花塞的热特性性能。火花塞要有适 当的温度才能工作良好，没有积炭才能工作正常。实践证明火花塞绝缘体保持在 500600温度时，落在绝缘体上的油滴能立即烧去不会形成积炭，高于这个温度会早燃， 低于这个温度有积炭。火花塞这个玩意儿看上去简单，做起来不容易，它对材料及制造工 艺的要求十分高，由于工作环境十分恶劣，火花塞绝缘体被击穿、电极积炭失效常会发生， 因此它属于“易损件” ， 然，随着技术的发展，火花塞的耐用性也提高了，电极材料使用 铂合金来代替传统的铜镍合金，延长了火花塞的使用寿命。 火花塞选择 择和使用火花塞有一定的讲究。火花塞安装在气缸上，工作时火花塞温度很高，正常 的

15、工作温度应在 500-750，俗称“自净温度” ，这个温度可把落在其上的油滴燃烧干净， 避免积炭的产生。喷油嘴的设计喷油嘴的功能与原理 喷油嘴通过高压将燃料从一个很小的孔中压出，使得液体的燃料呈雾状喷射到燃烧室 中进行燃烧，雾状的燃料更有利于燃料的充分燃烧，而且也更节约燃料。喷油嘴其实就是 个 简单的电磁阀，当电磁线圈通电时，产生吸引力，针阀被吸起，打开喷孔，燃油经针阀头 部的轴针与喷孔之间的环形间隙高速喷出，形成利于燃烧的雾状燃料。 喷油嘴的设计喷油量多少的控制:同一类型的电喷车,汽油泵的压力是恒定的,不论节气门的开度大小,只 要经过燃油压力调节器的调节,喷油嘴的压力始终都是恒定的.喷油嘴是

16、和燃油泵及燃油压 力调节器严格配套使用的,只有设计的压力,喷油嘴才能达到最佳的雾化效果,压力低于设计 压力，喷出的油不是雾状，呈柱状，不宜与空气混合；压力过大，喷出的油呈圆锥面形状， 也不易混合，并且喷射的力量太大，很多的燃油直接就喷到管壁上，直接影响混合比参数。 喷油量的多少,取决于喷油时间的长短,喷油器按电磁线圈的控制方式不同,分为电压驱动式 和电流驱动式。在这次的课程设计中我选择的是电流驱动式得名喷油嘴。这次设计的内燃 机的溶剂为 3L，不需要过大的喷油量，适当即可。 以上便是这次设计中对于火花塞和喷油嘴的选择，因为此次设计偏重于机构的设计，对于 火花塞和喷油嘴就只做了字面上的描述。 3-4 各机构间运动关系的协调前面已经选好活塞和气门的机构，但是单独的几个