目录一、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路 (1)二、绘制内燃机机构简图 (3)三、绘制连杆机构位置图 (4)四、作出机构15个位置的速度和加速度多边形 (4)五、动态静力分析 (8)六、计算飞轮转动惯量（不计构件质量） (14)七、计算发动机功率 (16)八、对曲柄滑块进行机构部分平衡 (17)九、排气凸轮（凸轮Ⅱ）的轮廓设计 (17)十、四冲程工作内燃机的循环图 (24)参考文献 (26)一、四冲程内燃机的运动分析及总体设计思路根据设计任务书，我们需要解决以下问题：凸轮的参数是多少？如何能让机构正常循环工作？为了解决这个问题，我们需要对整个机构从运动及力学的角度分析。

首先，需要明确四冲程内燃机的工作原理：内燃机是通过吸气、压缩、燃烧、排气四个过程不断重复进行的。

如果在四个冲程里完成吸气、压缩、做功（燃烧、膨胀）、排气的循环动作，就叫做四冲程。

相应的内燃机叫四冲程内燃机。

第一冲程，即吸气冲程。

这时曲轴向下转动，带动活塞向下，同时通过齿轮带动凸轮向下旋转，是凸轮的突起部分顶开进气阀门，雾状汽油和空气混合的燃料被吸入气缸。

第二冲程，即压缩冲程。

曲轴带动活塞向上，凸轮的突起部分已经转两个过去，进气阀门被关闭，由于凸轮只转了1/4周，所以排气阀门仍然处于关闭状态。

活塞向上运动时，将第一冲程吸入的可燃气体压缩，被压缩的气体的压强达到0.6～1.5兆帕，温度升高到300摄氏度左右。

第三冲程是做功冲程。

在压缩冲程末火花塞产生电火花，混合燃料迅速燃烧，温度骤然升高到2000摄氏度左右，压强达到3～5兆帕。

高温高压烟气急剧膨胀，推动活塞向下做功，此时曲柄转动半周而凸轮转过1/4周，两个气阀仍然紧闭。

第四冲程是排气冲程。

由于飞轮的惯性，曲柄转动，使活塞向上运动，这时由于凸轮顶开排气阀，将废气排出缸外。

四个冲程是内燃机的一个循环，每一个循环，活塞往复两次，曲柄转动两周，进排气图11、已知条件：活塞行程 H=220 (mm) 活塞直径 D ＝160（mm ）活塞移动导路相对于曲柄中心的距离 e ＝68 (mm) 行程速比系数 K ＝1.08连杆重心C 2至A 点的距离 2AC l ＝0.35AB l 曲柄重量 1Q ＝135 (N)连杆重量 2Q ＝125 (N) 活塞重量 3Q ＝200（N ）曲柄的转速 1n ＝640 (rpm) 连杆通过质心C 2的转动惯性半径 2c ρ＝0.15 AB l (2mm ) 发动机的许用速度不均匀系数 [δ]＝1/90曲柄不平衡的重心到O 点的距离 OC l ＝OA l (mm) 开放提前角 进气门：10-°；排气门：32-°齿轮参数：m =3.5 (mm) ；α=20°；*a h =12Z =2Z '=14; 3Z =3Z '=72; 1Z =36 凸轮I 行程 1h ＝7 mm 凸轮II 的行程 2h = 6 mm 凸轮I 的基圆半径 1r = 55 mm 凸轮II 的基圆半径 2r = 60 mm 凸轮II 的偏心距 2e = 0 mm 凸轮I 偏心距 1e = 0 mm2、求连杆的长度和曲柄的长度 设连杆的长度为l 、曲柄长度为r ∴I OB r l -= OB r l += 11180+-=︒K K θ92.6=°又 θsin 2HCB R ==I =912.99mmmme CD R DE CD OC CE OC OE 58.361)()()()()(222222=--=--=-=22)(e OF r l +=+=476.46mm -------- (1) 2HOE OF +==471.58mm OCOE1sin -=α=23.33° θαδ-==16.41° 2sin2δR r l =-=261.60mm----------- (2) 联立（1）、（2）式求解，可求出连杆的长度l 及曲柄的长度r 。

mm l 53.368= mm r 93.107=图2二、绘制内燃机机构简图按照比例尺1：5，根据第五组数据，绘制内燃机机构简图，空出凸轮的结构，并对凸轮与排气装置的连接方式进行修改。

三、绘制连杆机构位置图以活塞在最高位置时为起点，将曲柄回转一周按顺时针分为十二等分，然后找出活塞在最低位置时和活塞速度为最大时的曲柄位置（即曲柄旋转一周共分为十五个位置）并作出机构各位置时的机构位置图，求出滑块的相对位移。

当活塞在最高位置时位起点，曲柄A 点的编号为0A ，由0A 点开始，顺时针方向把圆等分为12等分，得1A 、2A 、3A 、……，11A 等点。

当滑块在最低位置时，曲柄上A 点的编号为6A '。

可近似以为，当曲柄在2OA '和9OA '位置时，滑块B 速度为最大值。

图3四、作出机构15个位置的速度和加速度多边形1、速度分析，画出速度多边形单位：V---m/s, w---rad/sB A BA V V V =+大小 ？ ωlAO ? 方向 //BE ⊥AO ⊥AB画图基本步骤： ①确定极点p ；②根据A V 的大小和方向过极点p 画出A V 即pa ； ③过a 画出BA V 的方向⊥AO ；④过p 画出的方向∥导轨，与BA V 交于b ； ⑤pb 即为B V ； ⑥ab 即为BA V ；⑦取ac=0.35ab ，则2C p 即为2C V ；⑧2ω = BA V /AB l 。

图4 速度多边形2、分析加速度，画出加速度多边形n B A BA BA a a a a τ=++大小 ？ 2AO l ω⋅ 22BA l ω⋅ ?方向 ∥BE A →O B →A ⊥BAA a =484.32/m s作出机构的15个位置的加速度多变形，见2号图纸，各位置参数数值如表2。

①定极点p ； ②根据Aa 的大小和方向作出Aa 即pa ；③过a ，由n BAa 的大小和方向画出n BAa 即at ；④过t 作出BAa τ的方向；⑤过p 作出Ba 的方向∥导轨，与BAa τ的方向交于b ，则pb 即为Ba ，tb 即为n BAa ；⑥ab 即BAa ；⑦取20.35ac ab=，2C a 即2C a ；⑧2/C BA ABa a l =。

图5速度多边形五、动态静力分析动态静力分析－根据理论力学中所讲的达朗伯原理，将惯性力视为一般外力加在构件上，仍可采用静力学方法对其进行受力分析。

这样的力分析称为动态静力分析。

求出机构在各位置时各运动副的反力及应加于曲柄OA 的平衡力矩b M （每人完成五个位置）。

各种数据都要列表表示。

1、计算活塞上的气体压力'i p F p =⋅ （N ）F --活塞的面积 （2cm ）图6由图可知，在特殊位置（如14，13，12，24，23，22）处，气体压力非常大，相信为电火花点燃，气体爆炸，内燃机工作时的点。

2、求作用于构件上惯性力。

222I C p m a =-⋅ (N) 222C C J m a =-⋅33I B p m a =-⋅ (N)在这一步时，需要注意惯性力的方向均与加速度或角加速度相反。

惯性力是指当物体加速时，惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向，若是以该物体为坐标原点，看起来就仿佛有一股方向相反的力作用在该物体上，因此称之为惯性力。

惯性力实际上并不存在，实际存在的只有原本将物体加速的力。

3、求出活塞上受力的大小及方向 33I p p P Q '=++ (N)表3点的位置 2I P (N) 2I M(N*m)3I P (N)0 6734.69 67.73 -12734.69 15895.12212.36 -9858.03在这一步里，可得第一步时的假设正确，活塞上所受的力会由于气体压力的急剧改变而改变大小，甚至方向，而这也正是内燃机工作的核心。

4、把作用在构件2上的反力12R 分解为12n R 和12R τ，取0B M =∑，求出12R τ。

计算方式：12222120l I l I R Q h P h M τμμ+⋅⋅-⋅⋅-=（矢量式）其中，1h 为2Q 到B 点的水平距离，2h 为2I P 到B 点的垂直距离，C M 为转动惯量2C C C M J α=⋅ (c 角加速度)。

特别注意其方向，使用右手法则，判断其力矩方向，又或规定逆时针为正。

小组决定为方便判断以及减少错误的出现，使用逆时针为正，决定式中各项的正负。

在这一步运算中要注意比例尺和单位的转换。

由于在计算中2I M 为标准国际单位，因此要把毫米化为米，这一点很容易出错！如上，我们能够得到动态静力分析中所能确定的两个力的大小。

而其他未知力均能求得方向（或在某一直线上）。

以点8作实例，分析如图7：图75、以构件2，3为示力体，取0F =∑，求出12n R 和03R 。

在这一步骤中，12n R 和03R 方向均未知，在受力分析时可假设其已知，在这一步中通过力封闭多边形求出方向。

如图8：图86、以构件3 为示力体，取0F =∑，求出23R 。

如图9：图97、以构件1为示力体，（构件1上的重力忽略不计），取0F =∑，求出01R ，再由0B M =∑，求出b M 。

如图10：图10数据记录如下：表4表5在这一步运算中，小组出现了一点分歧，即是否应该计算其构件1的惯性力，虽然这个问题并不影响所求出的转动惯量，可是却会对01R 产生影响。

虽然题设构件1的重力忽略不计，可是最后我们认为是应该加上惯性力计算的，因为O 对1点主要是给以平衡连杆对1点的力，以及匀速圆周运动。

并且在对内燃机的认识下，曲柄作为输出的机构，带动汽车的其他机构运动，并不能孤立地作为二力杆来作出分析。

8、用一张4号图纸大小的方格纸作出()d d M M φ= 曲线六、计算飞轮转动惯量（不计构件质量）1、把()d d M M φ=曲线作为()d d M M φ=曲线（驱动力矩曲线）图11规定：当与b M 与1ω的方向一致时为负，画在横坐标的下方，当b M 与1ω的方向相反时为正，画在横坐标的上方。

（在本课程设计中，1ω的方向为顺时针）2、以b M 的平均值作为阻抗力矩r M （常数）。

这是因为在周期性的速度波动中，一个波动周期内的输入功等于输出功。

即0d r E ωω-=∆=。

2.1、首先求出下列各单元面积1f =-560；2f =500；3f =-997；4f =2630；5f =-680；6f =580。

2.2、求出阻抗力矩（()r r M M φ=）的纵坐标H12345614736.1375240f f f f f f H mm L +++++===2.3、求出下列各单元的面积1f ' =-732；2f '=301；3f '=-1380；4f '=2279；5f '=-890；6f '=437；7f '=-3在阻抗力矩曲线之上的面积表示盈功，在阻抗力矩曲线之下的面积表示亏功。