28/28工學(xué)院教案2015～2016學(xué)年第2學(xué)期所在學(xué)院：機電工程學(xué)院教研室(實驗室)：能源與動力工程課程名稱：燃機設(shè)計授課教師：董吉凱授課班級：2013級能源與動力工程（1）班使用教材：袁兆成編著《燃機設(shè)計》第2版審查人(簽字)：工學(xué)院教務(wù)處制燃機設(shè)計課程教案授課時間2016年3月8日第1周周二第7、8節(jié)2016年3月11日第1周周五第5、6節(jié)授課章節(jié)第一章燃機設(shè)計總論教學(xué)目的、要求1、掌握燃機設(shè)計的一般思路2、熟悉研制燃機的一般流程教學(xué)重點與難點發(fā)動機的主要參數(shù)選擇。教學(xué)方法與手段多媒體教學(xué)教學(xué)容與過程一、燃機設(shè)計的一般流程1、計劃階段此階段由下述環(huán)節(jié)組成：1）

確定任務(wù)主要是根據(jù)市場需要和法規(guī)需要(進行必要性、可行性論證)，這個環(huán)節(jié)應(yīng)該是企業(yè)產(chǎn)品規(guī)劃中確定的，有長期規(guī)劃，也有短期規(guī)劃。2）

組織設(shè)計組—根據(jù)任務(wù)挑選合適人選。3）

調(diào)查研究a訪問市場和用戶，征求對產(chǎn)品的要求；b了解制造廠的工藝條件、設(shè)備能力以與配件供應(yīng)情況；c收集同類先進產(chǎn)品的資料，考察同類產(chǎn)品；d確定參考樣機。教學(xué)容與過程4）確定基本性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式（概念設(shè)計階段）。主要是通過:同類型機型對比、熱力學(xué)計算、動力學(xué)計算和整機一維模型仿真分析。5)擬訂設(shè)計任務(wù)書2、設(shè)計實施階段

1)燃機總布置設(shè)計，確定主要零部件的允許運動尺寸、結(jié)構(gòu)方案、2)按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制零部件圖紙目錄。3)部件三維圖細(xì)致設(shè)計、零部件工作圖、縱橫剖面圖。3、檢驗階段1)

試制多缸機樣機2)多缸機試驗（磨合、調(diào)整、性能試驗、耐久試驗、可靠性試驗、配套試驗和擴大用戶試驗）3)改進與處理階段4)燃機設(shè)計的“三化”4、改進與處理階段1)樣機鑒定與改進.2)小批量生產(chǎn)和擴大用戶試驗二、燃機的主要設(shè)計指標(biāo)1、動力性指標(biāo)1）功率Pe2）轉(zhuǎn)速nn增加對提高Pe有利，但是轉(zhuǎn)速增加后：⑴慣性力，導(dǎo)致負(fù)荷增加，平衡、振動問題突出，噪音增加；⑵工作頻率增加——熱負(fù)荷增加；⑶摩擦損失增加，導(dǎo)致ηm下降、ge升高、磨損加劇，壽命縮短；⑷進排氣系統(tǒng)阻力增加，使ηv變小；3）最大扭矩教學(xué)容與過程2、經(jīng)濟性指標(biāo)1）燃油消耗率ge(克/千瓦小時)2）機油消耗率gm(克/千瓦小時)3）耐久性、可靠性指標(biāo)可靠性—在規(guī)定的運轉(zhuǎn)條件下，規(guī)定的時間，具有持續(xù)工作，不會因為故障而影響正常運轉(zhuǎn)的能力。耐久性—從開始使用起到大修期的時間。4、重量、尺寸、外形指標(biāo)是評價設(shè)計的緊湊性和金屬利用程度的指標(biāo)。比重量gw=G/Pe(kg/kw)；體積功率Pv=Pe/V(kw/m3)5、低公害指標(biāo)6、制造、使用、維護指標(biāo)三、燃機的選型1、柴油機、汽油機或氣體燃料發(fā)動機現(xiàn)在廣泛使用的燃機主要是柴油機、汽油機和氣體燃料發(fā)動機。在選擇燃機時首先碰到的問題就是選擇什么燃機。從兩方面考慮燃機本身的技術(shù)經(jīng)濟特點和市場需求。地區(qū)或國家對環(huán)境和能源應(yīng)用分布的要求。2、沖程四沖程：使用可靠，工作柔和，耐磨，經(jīng)濟性好，指標(biāo)穩(wěn)定，生產(chǎn)、使用經(jīng)驗豐富；二沖程：單位時間工作循環(huán)多一倍，實際功率輸出大50~70%，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，但經(jīng)濟性差。教學(xué)容與過程3、冷卻形式水冷：1)冷卻均勻效果好；

2)ηv大，pe大；3)受外界影響小;4)噪音低.風(fēng)冷：1)散熱不好，熱負(fù)荷高，油嘴易堵，機油易變稀，磨損大；

2)可在沙漠等缺水地帶使用，無凍裂；3)噪音大，因為無水套吸音；4)鑄造困難；5)冷卻系結(jié)構(gòu)簡單，無漏水；6)單體結(jié)構(gòu)，維修成本低。4、氣缸的布置主要由發(fā)動機的使用環(huán)境決定。單列：結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便。雙列：在增加功率，提高車廂面積有效利用要求下，趨向采用雙列，雙列有V型、錯缸型（缸心線平行和缸心線不平行兩種）臥式：可布置在底盤中部或后部，大幅度降低高度，改善面積利用率，開闊視野，提高了操縱性、機動性。四、燃機主要參數(shù)的選擇1、平均有效壓力pme2、活塞平均速度3、氣缸直徑和缸數(shù)4、行程S五、節(jié)發(fā)動機設(shè)計的發(fā)展1、目前廣泛采用2、現(xiàn)代設(shè)計方法作業(yè)布置教材P251-1、1-4課后小結(jié)參考資料燃機設(shè)計課程教案授課時間2016年3月15日第2周周二第7、8節(jié)2016年3月18日第2周周五第5、6節(jié)授課章節(jié)第二章曲柄連桿機構(gòu)受力分析教學(xué)目的、要求掌握掌握燃機承受機械力分析方法和思路。熟悉燃機活塞的運動規(guī)律，曲柄連桿機構(gòu)受力分析。了解軸承和軸頸載荷圖。教學(xué)重點與難點重點：燃機曲柄連桿機構(gòu)受力分析。難點：燃機承受機械力分析方法和思路。教學(xué)方法與手段多媒體教學(xué)教學(xué)容與過程一、曲柄連桿機構(gòu)的運動學(xué)(活塞的運動學(xué))

1、簡述

機構(gòu)的作用：活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動活塞上的力轉(zhuǎn)化為曲軸上的扭矩。

2、中心曲柄連桿機構(gòu)的運動規(guī)律

活塞的位移表示為

教學(xué)容與過程活塞的運動可以用三角函數(shù)組成的復(fù)諧函數(shù)表示，既活塞的運動是復(fù)諧運動。曲柄連桿機構(gòu)中的作用力

1、曲柄連桿機構(gòu)中力的傳遞和相互關(guān)系

作用力分為：

①氣壓力Fg②慣性力往(復(fù)慣性力Fj、旋轉(zhuǎn)慣性力Fr）

③合成力F=Fj+Fg上式說明，永遠(yuǎn)存在一個與輸出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩。2、氣壓力的作用效果

氣壓力Fg在機體部平衡掉，對外沒有自由力，只有扭矩輸出和翻倒力矩

3、往復(fù)慣性力

1）機構(gòu)運動件的質(zhì)量換算換算原則：保持當(dāng)量系統(tǒng)與原機構(gòu)動力學(xué)等效。2）曲柄連桿機構(gòu)中的慣性力

慣性力與運動質(zhì)量有關(guān)，該機構(gòu)中的運動質(zhì)量有往復(fù)運動質(zhì)量教學(xué)容與過程旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量往復(fù)慣性力4、往復(fù)慣性力和氣壓力作用的差別1）氣壓力Fg是做功的動力，產(chǎn)生輸出扭矩。2）氣壓力Fg在機體部平衡，沒有自由力。Fj沒有平衡，有自由力產(chǎn)生，是發(fā)動機縱向振動的根源。3）Fj所占區(qū)域長，總是存在，正負(fù)面積相等；Fg呈脈沖性。5、曲柄連桿機構(gòu)中力的計算（動力計算）?合成力F=Fj+Fg?側(cè)向力FN＝F·tgβ?連桿力?切向力?徑向力?單缸扭矩?翻倒力矩6、多缸機扭矩（動力計算）1.）連桿軸頸扭矩第一主軸頸所受扭矩M0,1=0，第二主軸頸所受扭矩M1,2=M1(α)第三主軸頸所受扭矩M2,3=M1,2+M1（α＋240）第四主軸頸所受扭矩M3,4=M2,3+M1（α＋480）

第五主軸頸所受扭矩M4,5=M3,4+M1（α＋120）第六主軸頸所受扭矩M5,6=M4,5+M1（α＋600）第七主軸頸所受扭矩M6,7=M5,6+M1（α＋360）教學(xué)容與過程2）連桿軸頸扭矩根據(jù)扭矩向后傳遞的原則，Mgi應(yīng)該是前一個主軸頸上的積累扭矩Mzi與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸扭矩的一半之和。3）平均扭矩4）輸出扭矩的均勻性一般以標(biāo)定工況評價扭矩不均勻系數(shù)增加氣缸數(shù)、點火均勻、組件分組、增加飛輪慣量等均可減小扭矩不均勻性。7、發(fā)動機對支承的作用力

8、曲軸軸頸和軸承的負(fù)荷作業(yè)布置教材P422-1、2-9課后小結(jié)參考資料燃機設(shè)計課程教案授課時間2016年3月22日第3周周二第7、8節(jié)2016年3月25日第3周周五第5、6節(jié)授課章節(jié)教學(xué)目的、要求掌握掌握平衡分析方法和平衡方法。曲軸軸系平衡塊的布置。3.了解輔助平衡機構(gòu)的設(shè)計。教學(xué)重點與難點重點：平衡分析方法難點：平衡分析方法和平衡方法。教學(xué)方法與手段多媒體教學(xué)教學(xué)容與過程一、平衡的基本概念1、平衡的定義當(dāng)燃機在穩(wěn)定工況運轉(zhuǎn)時如果傳給支承的作用力的大小和方向均不隨時間而變化，則我們就稱此燃機是平衡的。實際上這種情況不存在。

2、燃機振動的原因?工作過程的周期性：發(fā)動機扭矩是周期性變化的。?機件運動的周期性：旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力是周期性變化的。3、不平衡的危害?引起車輛的振動，影響乘員的舒適性、駕駛的平順性。?固定式燃機的振動，會縮短基礎(chǔ)或建筑物的壽命。?產(chǎn)生振動噪音、消耗能量、降低機器的總效率。?引起緊固連接件的松動或過載、引起相關(guān)儀器和設(shè)備的異常損壞。4、研究平衡的目的和采用的方法?通過燃機平衡性的分析，為分析和選型提供依據(jù)。?尋求改善平衡性的措施，這些措施一般包括：采用適當(dāng)?shù)臍飧讛?shù)、氣缸排列和曲拐布置；加適當(dāng)?shù)钠胶庵兀挥眠m當(dāng)?shù)钠胶鈾C構(gòu)。?方法主要包括：1．解析法2．圖解法教學(xué)容與過程旋轉(zhuǎn)慣性力的分析旋轉(zhuǎn)質(zhì)量旋轉(zhuǎn)慣性力1、靜平衡和動平衡靜平衡質(zhì)心在旋轉(zhuǎn)軸上動平衡2、旋轉(zhuǎn)慣性力平衡分析1）單拐曲軸為使動平衡：2）三拐曲軸（1－3－2，四沖程或二沖程)①作曲柄側(cè)視圖與軸側(cè)圖②圖解法整體平衡方法3.四拐曲軸四拐空間（二沖程發(fā)動機）曲軸離心力分析教學(xué)容與過程空間曲軸的離心力自然平衡，有不平衡的離心力矩4.六拐曲軸六拐曲軸的平衡性很好，但是也存在彎矩和軸承負(fù)荷問題。因此六拐曲軸也要合理布置平衡重。方案有如圖所示幾種。

往復(fù)慣性力三、單列式燃機往復(fù)慣性力的平衡分析1、幾個基本概念1）往復(fù)慣性力可以用旋轉(zhuǎn)矢量表示為2）往復(fù)慣性力始終沿氣缸軸線作用，大小和方向按簡諧規(guī)律變化，力矩總是作用在氣缸中心線與曲軸中心線組成的平面。

2、單缸機往復(fù)慣性力的平衡分析都沒有平衡，需要采取平衡措施。教學(xué)容與過程1）雙軸平衡法對于一階慣性力，用兩根平衡軸四個平衡重(或兩個)，平衡關(guān)系為：對于二階往復(fù)慣性力采用類似方法2）過量平衡法（0<ε<1）從中消去α得到

1212112121212a曲柄側(cè)視圖曲軸布置圖一階曲柄圖二階曲柄圖3、多缸機往復(fù)慣性力平衡分析單列式兩缸機（發(fā)火順序1－2－1，四沖程是不均勻發(fā)火）圖解法整體平衡法雙軸平衡法2）連桿軸頸扭矩根據(jù)扭矩向后傳遞的原則，Mgi應(yīng)該是前一個主軸頸上的積累扭矩Mzi與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸扭矩的一半之和。3）平均扭矩4）輸出扭矩的均勻性一般以標(biāo)定工況評價扭矩不均勻系數(shù)增加氣缸數(shù)、點火均勻、組件分組、增加飛輪慣量等均可減小扭矩不均勻性。7、發(fā)動機對支承的作用力

8、曲軸軸頸和軸承的負(fù)荷更好的曲軸布置應(yīng)該是360度曲拐夾角。此時發(fā)火均勻，可采用雙軸機構(gòu)平衡，也可以采用平衡活塞的方法平衡。四、雙列式燃機往復(fù)慣性力的分析1、V型兩缸機平衡分析1）離心慣性力的分析2）一階往復(fù)慣性力的平衡分析3）二階慣性力平衡性分析2、V型多缸機平衡性分析例：V型八缸機（V-8）平衡性分析V型八缸機用空間曲軸的較多，分析一階往復(fù)慣性力和力矩，先將其看成四臺V－2機，γ＝90時，每臺V－2機的FjⅠ＝CΦⅠ=α四臺V-2機的RjⅠ構(gòu)成一個離心力系，按照與二行程四缸機一樣的分析方法：因為，各拐原離心力所構(gòu)成的離心力矩為所以，在采用整體平衡法時有分析二階往復(fù)慣性力和力矩，先看成兩臺空間曲軸的四缸機∵直列空間曲軸四缸機的二階往復(fù)慣性力和力矩都等于零∴兩臺四缸機的二階往復(fù)慣性力和力矩也都為零，即V－8機的二階往復(fù)慣性力和力矩都為零。作業(yè)布置教材P813-1、3-9課后小結(jié)參考資料機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教案授課時間2016年3月10日第1周周四第

9、10節(jié)授課章節(jié)平面機構(gòu)的自由度和速度分析運動副與其分類平面機構(gòu)運動簡圖教學(xué)目的、要求1.了解機構(gòu)組成原理2.理解自由度、運動副、約束的概念與三者的關(guān)系教學(xué)重點與難點1、重點平面機構(gòu)的運動簡圖的繪制。2、難點繪制簡圖時構(gòu)件與運動副的準(zhǔn)確表示。教學(xué)方法與手段多媒體教學(xué)教學(xué)容與過程一、機構(gòu)的組成1、運動副運動副：兩構(gòu)件直接接觸并能保持一定形式的相對運動的聯(lián)接稱為運動副。高副2、低副兩構(gòu)件通過面接觸組成的運動副稱為低副。平面低副可分為轉(zhuǎn)動副和移動副。教學(xué)容與過程2、自由度和運動副的約束1、構(gòu)件的自由度平面自由的構(gòu)件，有3個自由度，而空間自由的構(gòu)件，有6個自由度。2、運動副的約束3、運動鏈和機構(gòu)兩個以上的構(gòu)件以運動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運動鏈。機構(gòu)是由主動件、從動件和機架三部分組成的。二、平面機構(gòu)的運動簡圖1、構(gòu)件的表示方法1）構(gòu)件（1）參與形成兩個運動副的構(gòu)件（2）參與形成多個運動副的構(gòu)件2）轉(zhuǎn)動副構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動副時，其表示方法如圖。3、移動副兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。4、平面高副2、機構(gòu)運動簡圖的繪制步驟3）移動副兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。4）平面高副2、機構(gòu)運動簡圖的繪制步驟作業(yè)布置1、平面機構(gòu)中若引入一個高副將帶入()個約束，而引入一個低副將帶入()個約束。約束數(shù)與自由度數(shù)的關(guān)系是()。2、兩個做平面平行運動的構(gòu)件之間為()接觸的運動副稱為低副；而為()或()接觸的運動副稱為高副。課后小結(jié)1.運動副與其分類2.平面機構(gòu)的運動簡圖參考資料機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教案授課時間2016年3月15日第2周周二第

1、2節(jié)2016年3月17日第2周周四第

9、10節(jié)授課章節(jié)平面機構(gòu)的自由度速度瞬心與其在機構(gòu)速度分析上的應(yīng)用平面連桿機構(gòu)2-1平面四桿機構(gòu)的基本類型與應(yīng)用教學(xué)目的、要求1.能準(zhǔn)確識別出機構(gòu)中存在的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束。2.能準(zhǔn)確判斷具體實例屬于哪種平面四桿機構(gòu)類型。教學(xué)重點與難點1、重點平面機構(gòu)的自由度的計算。2、難點平面四桿機構(gòu)類型的判斷。教學(xué)方法與手段多媒體教學(xué)教學(xué)容與過程一、平面機構(gòu)的自由度1、平面機構(gòu)自由度計算公式機構(gòu)的自由度：機構(gòu)中各構(gòu)件相對于機架所具有的獨立運動的數(shù)目。若某機構(gòu)由N個構(gòu)件組成，除去機架，機構(gòu)中共有n=N－1個活動件。構(gòu)件在連接之前，全部活動件共有3n個自由度。而聯(lián)接后，構(gòu)件的自由度由于運動副的約束而減少。設(shè)在機構(gòu)中有PL個低副，PH個高副，則該機構(gòu)全部運動副的約束教學(xué)容與過程數(shù)目共有2PL+PH個。則機構(gòu)自由度F＝3n－2PL－PH2、機構(gòu)具有確定相對運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件：原動件數(shù)目W應(yīng)等于機構(gòu)的自由度F。即W＝F＝3n－2PL－PH原動件數(shù)＜自由度數(shù)，機構(gòu)無確定運動原動件數(shù)＞自由度數(shù)，機構(gòu)在薄弱處損壞3、計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項1）復(fù)合鉸鏈定義：若兩個以上的構(gòu)件在同一處組成幾個轉(zhuǎn)動副，且各轉(zhuǎn)動副軸線重合，則稱該處聯(lián)接為復(fù)合鉸鏈。計算自由度時，若復(fù)合鉸鏈由m個構(gòu)件組成，則聯(lián)接處有(m—1)個轉(zhuǎn)動副。2）局部自由度定義：機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的不影響其余構(gòu)件運動的自由度，稱為局部自由度。計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)將局部自由度除去不計。3、移動副兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。4、平面高副2、機構(gòu)運動簡圖的