Кинематический и силовой анализ механизмов двигателя внутреннего сгорания

3-й лист.cdw

Профилирование кулачка
Определение минимального радиуса кулачка
зона кинематического
Кинематические диаграммы движения толкателя
Основные параметры механизма

2-й лист.cdw

Диаграмма приведенных моментов сил
Диаграмма приращения кинетической энергии
Диаграмма кинетической энергии 2-ой группы
Диаграмма изменения аналога углового
Диаграмма изменения угловой

Приложение 5.cdw

Определение минимального радиуса кулачка
Профилирование кулачка
зона кинематического
Кинематические диаграммы движения толкателя
Основные параметры механизма

Кинематический и силовой анализ ДВС.doc

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Вологодский государственный университет»
Кафедра теории и проектирования машин и механизмов
ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН
Проектирование механизмов
двигателя внутреннего сгорания
Факультет производственного менеджмента и инновационных технологий:
03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и
Проектирование механизмов двигателя внутреннего сгорания: методические
указания к курсовому проекту. – Вологда: ВоГУ 2015. - с.
Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения.
В методических указаниях на конкретных примерах рассмотрены вопросы
кинематического и силового анализа механизмов двигателя внутреннего
сгорания включая динамический синтез и анализ рычажного механизма а также
синтез кулачкового механизма.
Утверждено: Редакционно-издательским советом ВоГУ
Составители: Л.Н. Рябинина ст. преподаватель
Рецензент: В.А. Быстроумов к.т.н. доцент
Курсовой проект по теории механизмов и машин - это первая
самостоятельная комплексная расчетно-графическая работа студентов.
Выполнение проекта закрепляет и углубляет знания полученные при
изучении высшей математики физики теоретической механики инженерной
графики и конечно же теории механизмов и машин.
Курсовое проектирование направлено на развитие умений студентов
систематизацию закрепление и расширение теоретических знаний ознакомление
с синтезом и анализом современных машин и механизмов привитие навыков
самостоятельного принятия решений при выполнении исследовательских задач.
Общие указания к выполнению курсового проекта
Задания на курсовой проект по теории механизмов и машин
включают вопросы по структуре кинематике и динамике плоских
шарнирно-рычажных механизмов и синтез кулачкового механизма.
Цель курсового проект – закрепить знания студентов полученные
при изучении данных разделов курса и привить им навыки
самостоятельной работы при решении ряда практических задач.
Объем курсового проекта:
Кинематический и силовой анализ рычажного механизма
1 Определить степень подвижности механизма и его класс путем
разложения его на группы Ассура.
2 Построить 12 совмещенных планов положений механизма.
3 Построить 12 планов скоростей и один план ускорений для
заданного положения механизма. Определить скорости и ускорения всех
указанных на механизме точек.
4 Определить величины и направление угловых скоростей i и
угловых ускорений i всех звеньев для заданного положения механизма.
5 Определить величины и направления главных векторов сил
инерции Ри и главных моментов сил инерции звеньев Ми для заданного
положения механизма считая что центры тяжести звеньев находятся в
соответствующих точках Si.
6 Определить реакции во всех кинематических парах и
уравновешивающий момент для заданного положения механизма пользуясь
Динамический синтез и анализ рычажного механизма
1 Построить диаграмму приведенного момента от сил движущих или
сил сопротивления в зависимости от угла поворота кривошипа
2 Построить диаграммы работ сил движущих и сил сопротивления
[Aдв=f(φ1) и AC=f(φ1)].
3 Построить диаграмму суммарной работы [A=(Т=f(φ1)] (приращения
кинетической энергии машины с маховиком).
4 Построить диаграмму кинетической энергии второй группы звеньев
5 Построить диаграмму приращения кинетической энергии первой группы
звеньев [Т1= f(φ1)].
6 Определить момент инерции и размеры маховика вычертить эскиз
7 Построить диаграммы угловой скорости и аналога углового ускорения
кривошипа. Определить числовые значения угловой скорости и углового
ускорения кривошипа для всех положений механизма.
Синтез кулачкового механизма
1 Построить диаграммы аналогов ускорений скорости и перемещений
2 Определить минимальный радиус кулачка.
3 Спрофилировать кулачок
4 Построить диаграмму углов давления.
Выполнение всех расчетов и построение всех графиков выполняется
согласно ГОСТ 8.417-2002. Оформление графической части работы в
соответствии с ЕСКД и настоящими методическими рекомендациями.
Курсовой проект должен быть сшит и прикреплен к обложке. Допускается
переплет пластиковой лентой кольцами пружинами скоросшивателем.
Запрещается скреплять расчетно-пояснительную записку к курсовому проекту
Структура курсового проектаработы включает в себя обязательные
- титульный лист (приложение 1);
- список использованных источников.
Содержание включает введение наименование всех глав пунктов (если
они имеют наименование) заключение список использованных источников и
наименование приложений с указанием номеров страниц с которых начинаются
Введение в курсовом проектеработе должно отражать цели задачи
поставленные перед студентом принцип работы проектируемого механизма.
Заключение КП должно содержать краткие выводы по результатам
Список использованных источников является необходимой структурной
частью курсового проектаработы. Он содержит перечень источников
использованных при написании (независимо от вида документа и носителя –
бумажного или электронного) помещается после основного текста перед
приложениями имеет сквозную нумерацию страниц.
Библиографические записи в списке должны содержать основные сведения
достаточные для характеристики и идентификации изданий: автор заглавие
место и год издания количество страниц и т.д.; оформляются в соответствии
Компьютерная верстка текста выполняется в соответствии с таблицей 1.
Страницы текста КП и включенные в текст иллюстрации и таблицы должны
соответствовать формату А4 по ГОСТ 9327-60.
Таблица 1 - Компьютерная верстка текста
Наименование элементов 1 –й вариант 2 –й вариант
(предпочтительный) (допустимый)
Новая страница Да Да
Шрифт Times New Romаn пт 16 (полуж.) 14 (полуж.)
Абзацный отступ см 10-12 08-10
Интервал после пт 20 15
Выравнивание Слева Слева
Межстрочное расстояние 15 инт. 1 инт.
Новая страница Нет Нет
Шрифт Times New Romаn пт 14 (полуж.) 12 (полуж.)
Интервал до пт 12 10
Интервал после пт 8 5
ШрифтTimes New Romаn пт 14 12
Шрифт номера страницы Times New 14 12
Выравнивание Полное Полное
Размер символов в математических 14 12
выражениях соответствует шрифту пт
Подписи к рисункам и заголовкам таблиц
Шрифт Times New Romаn пт 12 10
Шрифт текста в таблице
Шрифт Times New Romаn пт не менее 8 пт
Параметры документа
Размер бумаги мм А4 (210х297)
Вне зависимости от способа выполнения курсового проекта качество
напечатанного текста и оформления иллюстраций таблиц распечаток должно
удовлетворять требованию их четкого воспроизведения.
Сокращение русских слов и словосочетаний - по ГОСТ 7.12-93. Не
следует сокращать слова и словосочетания: графа уравнение формула так
как так что например более или менее главным образом должно быть
около таким образом так называемый.
Наименования структурных элементов: «СОДЕРЖАНИЕ» «ВВЕДЕНИЕ»
«НАИМЕНОВАНИЕ ГЛАВ» «ЗАКЛЮЧЕНИЕ» «СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ»
«ПРИЛОЖЕНИЕ». Заголовки структурных элементов располагаются в середине
строки без точки в конце прописными буквами.
Основную часть КПКР следует делить на главы пункты и подпункты. При
делении текста записки на пункты и подпункты необходимо чтобы каждый пункт
содержал законченную информацию. Главы пункты и подпункты обозначаются
арабскими цифрами без точки и записываются с абзацного отступа.
Главы должны иметь порядковую нумерацию в пределах всего текста за
исключением приложений. Введение и заключение не нумеруются.
Страницы следует нумеровать арабскими цифрами соблюдая сквозную
нумерацию по всему тексту. Номер страницы проставляют в центре нижней части
листа без точки. Титульный лист и задание включают в общую нумерацию
страниц записки. Номер страницы на титульном листе и на листах задания не
проставляют но в нумерации учитывают.
Иллюстрации и таблицы расположенные на отдельных листах включают в
общую нумерацию страниц записки. Иллюстрациии таблицы на листе формата A3
учитывают как одну страницу. На листах с иллюстрациями расположенными с
поворотом по часовой стрелке номер страницы не ставится.
Иллюстрации (чертежи графики схемы компьютерные распечатки диаграммы
фотоснимки) следует располагать в записке непосредственно после текста в
котором они упоминаются впервые или на следующей странице. Навсе
иллюстрации должны быть даны ссылки.
Иллюстрации следует нумеровать арабскими цифрами сквозной нумерацией.
Еслирисунок один то он обозначается «Рисунок 1». Слово «Рисунок» и его
наименование располагают посередине строки под рисунком.
Пример: Рисунок 1 - Детали прибора.
Если на рисунке имеются цифровые или буквенные обозначения они должны
быть описаны в тексте или объяснены под рисунком. В случае записи под
рисунком позиции отделяют друг от друга точкой с запятой номера позиций
отделяют от расшифровок знаком тире
Пример: Рисунок 1 – Структурная схема механизма:
– кривошип; 2 – шатун; 3 – ползун.
При ссылках на иллюстрации следует писать « в соответствии с
рисунком 2» при сквозной нумерации и « в соответствии с рисунком 1.2»
при нумерации в пределах главы.
Таблицы применяют для лучшей наглядности и удобства сравнения
показателей. Наименование таблицы при его наличии должно отражать ее
содержание быть точным кратким. Наименование таблицы следует помещать над
таблицей слева без абзацного отступа в одну строку с ее номером через
тире. Таблицу следует располагать непосредственно после текста в котором
она упоминается впервые или на следующей странице. На все таблицы должны
быть ссылки в записке. При ссылке следует писать слово «таблица» с
указанием ее номера.
Таблицу с большим числом строк допускается переносить на другой лист
(страницу). При переносе части таблицы на другой лист (страницу) слово
«Таблица» ее номер и наименование указывают один раз слева над первой
частью таблицы а над другими частями также слева пишут слова «Продолжение
таблицы» и указывают номер таблицы.
Еслиповторяющийся в разных строках графы таблицы текст состоит из
одного слова то его после первого написания допускается заменять
кавычками; если из двух и более слов то при первом повторении его заменяют
словами «То же» а далее - кавычками. Если цифровые или иные данные в какой-
либо строке таблицы не приводят то в ней ставят прочерк.
Таблицы за исключением таблиц приложений следует нумеровать
арабскими цифрами сквозной нумерацией. Допускаетсянумеровать таблицы в
пределах главы. В этом случае номер таблицы состоит из номера главы и
порядкового номера таблицы разделенных точкой. Еслив записке одна
таблица то она должна быть обозначена «Таблица 1». Таблицыкаждого
приложения обозначают отдельной нумерацией арабскими цифрами с добавлением
перед цифрой обозначения приложения.
Заголовки граф и строк таблицы следует писать с прописной буквы в
единственном числе а подзаголовки граф - со строчной буквы если они
составляют одно предложение с заголовком или с прописной буквы если они
имеют самостоятельное значение. В конце заголовков и подзаголовков таблиц
Таблицы слева справа и снизу как правило ограничивают линиями.
Разделятьзаголовки и подзаголовки боковика и граф диагональными
линиями не допускается. Заголовкиграф как правило записывают параллельно
строкам таблицы. Допускается перпендикулярное расположение заголовков граф.
Головкатаблицы должна быть отделена линией от остальной части таблицы.
Уравнения и формулы следует выделять из текста в отдельную строку.
Формулы набираются во встроенном редакторе формул. Порядок изложения в
записке математических уравнений такой же как и формул. Выше и ниже каждой
формулы или уравнения должно быть оставлено не менее одной свободной
строки. Если уравнение не умещается в одну строку то оно должно быть
перенесено после знака равенства (=) или после знаков плюс (+) минус (-
) умножения (х) деления (:) или других математических знаков причем
знак в начале следующей строки повторяют. При переносе формулы на знаке
символизирующем операцию умножения применяют знак «x». Переносить на
другую строку допускается только самостоятельные члены формулы. Не
допускается при переносе разделение показателей степени выражений в
скобках дробей а также выражений относящихся к знакам корня интеграла
суммы логарифмических тригонометрических функций и т.п. В формулах точка
или знак умножения не ставится перед буквенным символом а также перед
скобкой и после скобки. В рамку формула не обводится и цветом не
Пояснение значений символов и числовых коэффициентов с расшифровкой их
размерности следует приводить непосредственно под формулой в той же
последовательности в которой они даны в формуле. Перечень символов
располагают с новой строки после слова «где» в виде колонки.
Символ отделяют от расшифровки знаком тире. После расшифровки каждого
символа ставят точку с запятой размерность буквенного обозначения отделяют
где VА - скорость точки А мс;
lОА - длина кривошипа м.
Формулы в записке следует нумеровать порядковой нумерацией в пределах
всей записки арабскими цифрами в круглых скобках в крайнем правом положении
на строке. Допускается нумерация формул в пределах главы. В этом случае
номер формулы состоит из номера главы и порядкового номера формулы
разделенных точкой например (3.1).
Одну формулу обозначают - (1). В многострочной формуле номер формулы
пишут против последней строки.
Пример выполнения курсового проекта
Исследование рычажного механизма двигателя внутреннего сгорания
Рисунок 1 - Структурная схема рычажного механизма
Исходные данные для рычажного механизма:
Размеры звеньев [pic] м 0066
рычажного механизма
Частота вращения [pic] обмин 2895
коленчатого вала 1 и
Массы звеньев [pic] кг 32
Моменты инерции звеньев [pic] кг(м2 008
Максимальное давление в [pic] МПа 6
цилиндрах двигателя
Диаметр цилиндров [pic] м 0125
Коэффициент [pic] - [pic]
неравномерности вращения
Положение кривошипа 1 [pic] град 30
при силовом расчете
1 Структурный анализ механизма
Задачей структурного анализа является определение степени подвижности
и класса механизма на основе классификации разработанной профессором Л.В.
Ассуром и академиком И.И. Артоболевским. По этой классификации любой
плоский шарнирно-рычажный механизм может быть образован путем присоединения
к начальному звену (или звеньям) структурных групп нулевой степени
подвижности (групп Ассура).
Количество начальных звеньев механизма определяется степенью
подвижности [pic] вычисляемой по формуле Чебышева:
где n – число подвижных звеньев (n = 5);
p1 p2 – число кинематических пар одноподвижных пятого и двухподвижных
четвертого класса. ([pic] [pic])
Следовательно при одном начальном звене (кривошипе) все звенья
механизма совершают строго определенное движение.
Для определения класса механизма разложим его на группы Ассура
условием существования которых является [pic].
Исходя из того что n и [pic] – числа целые в гр. Ассура имеем:
Группа состоящая из 2-х звеньев и 3-х кинематических пар является
группой Ассура 2-го класса (двухповодковой).
Класс группы Ассура выше второго определяется числом внутренних
кинематических пар образующих наиболее сложный замкнутый контур.
Группы Ассура подразделяются на порядки. Порядок группы Ассура
определяется числом внешних кинематических пар которыми группа
присоединяется к механизму (числом поводков).
Расчленение механизма на группы осуществляется методом попыток.
Отсоединяя группу состоящую из 2-х соединенных между собой подвижных
звеньев проверяем степень подвижности оставшегося механизма. Если она не
изменяется то отсоединение произведено верно. При невозможности
отсоединить простейшую двухповодковую группу следует попытаться
отсоединить более сложную например состоящую из 4-х звеньев и 6
Разложение начинаем с выходных (пятого и третьего) звеньев (рисунок
). Группа Ассура (2-3) – второго класса второго порядка второго вида.
Группа Ассура (4-5) – второго класса второго порядка второго вида.
Начальное звено и стойка образуют механизм первого класса.
Рисунок 2 - Разложение механизма на гр. Ассура
Общий класс механизма определяемый по наивысшему классу групп Ассура
входящих в данный механизм - второй.
Формула строения механизма (порядок присоединения гр. Ассура к
механизму 1-го класса).
2. Кинематическое исследование механизма
В задачу кинематического анализа входит определение законов движения
звеньев механизма вне зависимости от сил действующих на эти звенья.
2.1 Построение планов положений
По исходным данным вычерчивается схема механизма в произвольно
выбранном масштабе. Масштабный коэффициент [pic] указывает количество
единиц изображаемой величины в 1 мм чертежа. При построении планов
механизма желательно масштабный коэффициент [pic] [ммм] выбирать из
следующего ряда: 0001; 0002; 00025; 0004; 005; 008; 01 и т.д.
Выбираем масштабный коэффициент [pic] ммм тогда отрезок [pic]
изображающий на чертеже длину звена [pic] определится:
Определяем величину отрезков изображающих длину звеньев [pic] и [pic]
Построение начинаем с изображения неподвижных элементов (рисунок 3).
Наносим на чертеже точку [pic] (ось вращения звена 1) и намечаем траектории
точки [pic] ползуна 3 ([pic]) и точки [pic] ползуна 5 ([pic]). Далее
радиусом [pic] проводим окружность представляющую собой траекторию точки
[pic]. На этой окружности на одинаковом расстоянии друг от друга ([pic])
наносим положение т.[pic] (01 2 3 11). Соединив их отрезками прямых с
Рисунок 3 - Построение планов положений механизма
получим соответствующее положение кривошипа. За начало отсчета принимаем
точку [pic] соответствующую крайнему верхнему положению ползуна [pic]
(кривошип [pic] и шатун [pic] вытянулись в одну прямую).
Так как данный механизм относится ко второму классу то положения
звеньев в каждой гр. Ассура определим методом засечек.
Положение точки [pic] (группа 23) определим засечкой сделанной из т.
[pic] радиусом [pic] на траектории точки [pic]. Соединив точку [pic] с
точкой [pic] прямым отрезком найдем положения звеньев 2 и 3.
Положение точки [pic] (группа 45) определим также засечкой сделанной
из т. [pic] радиусом [pic] на траектории точки [pic]. Соединив точку [pic]
с точкой [pic] отрезком прямой найдём положение звеньев 4 и 5.
Таким образом строятся все 12 положений механизма. При этом заданное
положение механизма (координата [pic]) выделяется основными линиями а
остальные положения вычерчиваются тонкими линиями.
2.2 Построение планов скоростей
Построение планов скоростей и ускорений основано на графическом
решении векторных уравнений.
Определение линейных скоростей и ускорений точек механизма начинается
с механизма первого класса а затем в порядке присоединения групп Ассура.
Рассмотрим построение плана скоростей для заданного положения
Модуль скорости точки [pic] кривошипа совершающего вращательное
движение относительно стойки определим
Вектор скорости [pic] направлен перпендикулярно радиусу кривошипа в
сторону его вращения.
Масштабный коэффициент [pic] выбираем таким образом чтобы отрезок
[pic] изображающий скорость [pic] был не менее 50 мм.
Задаемся масштабным коэффициентом [pic] (м(с)мм тогда отрезок
[pic] изображающий скорость [pic] на чертеже определится
Из произвольной точки [pic] - полюса плана скоростей откладываем в
указанном направлении отрезок [pic].
Рисунок 4 - Построение плана скоростей
Составляем векторное уравнение для определения скорости точки [pic]
В этом уравнении вектор [pic] полностью известен и по величине и по
направлению (отрезок [pic] изображающий этот вектор уже отложен). Вектор
[pic] направлен перпендикулярно звену [pic] а вектор [pic] - по
направляющей [pic]. Величины этих векторов неизвестны.
Согласно векторному уравнению через конец вектора [pic] (через точку
[pic]) проводим направление вектора [pic] а через начало вектора [pic]
(через полюс [pic]) – направление вектора [pic]. Точку пересечения
указанных направлений обозначим [pic]. Тогда отрезки [pic] и [pic] в
выбранном масштабе будут соответствовать скоростям последовательно [pic] и
Измеряем эти отрезки по плану скоростей:
вычисляем соответствующие скорости:
Скорость точки [pic] определяем по теореме подобия
По заданию [pic] тогда [pic] мм
где [pic] - точка на плане скоростей соответствующая точке [pic]
Откладывая отрезок [pic] на плане скоростей вдоль отрезка [pic]
получим точку [pic]. Соединяя эту точку с полюсом получим отрезок [pic]
изображающий в масштабе вектор [pic]. Измеряем величину этого отрезка [pic]
и вычисляем скорость [pic] мс.
Определяем угловую скорость шатуна 2:
Для определения направления угловой скорости [pic] следует вектор
[pic] перенести в точку [pic] механизма и посмотреть как она в
соответствии с направлением этого вектора движется относительно точки
[pic]. В нашем случае [pic] направлена против часовой стрелки.
Аналогично строим план скоростей для второй группы Ассура (45).
Составляем векторное уравнение
Вектор [pic] направлен перпендикулярно звену [pic] а вектор [pic] -
по направляющей [pic]. Величины этих векторов неизвестны.
Для решения векторного уравнения через конец вектора [pic] (точка
направлений обозначим [pic].
Таблица4 0 3883 6614 7576 6614 3883
По полученным данным строим диаграмму [pic] желательно чтобы [pic].
Если равенство масштабов обеспечить не удаётся то диаграмма [pic]
строится в произвольном масштабе. Выбираем [pic] Джмм.
Ординаты графика для каждого положения получаем переведя данные
таблицы через масштабный коэффициент:
3.6 Диаграмма приращения кинетической энергии первой группы звеньев
и определение момента инерции маховика (Т1 = f ((1)
Изменение кинетической энергии [pic] равно разности изменения
кинетической энергии механизма вместе с маховиком [pic] и кинетической
энергии второй группы звеньев [pic].
Этот последний график при условии равенства масштабных коэффициентов
[pic] получают в результате графического вычитания графика [pic] из графика
[pic]. При графическом вычитании в отличие от графической разности графиков
учитывается знак например (-) – (+) = - (минус).
После указанных действий и соединения конечных точек полученных
отрезков (ординат) плавной кривой получим график приращения кинетической
При этом масштаб графика [pic].
Если диаграмму [pic] построить в масштабе [pic] невозможно то умножив
ординаты графика [pic] на [pic] определяют реальные значения [pic] для
каждого положения механизма (с учетом знака). Затем расчетным путем
определяют значения [pic] [pic] и по ним строят график [pic].
Таблица 2.4 - Приращение кинетической энергии первой группы звеньев
(подпись преподавателя)
ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
2 Кинематическое исследование механизма
2.3 Построение плана ускорений
3 Динамический синтез и анализ движения машины
3.1 Динамическая модель
3.2 Определение приведенного момента сил
3.4 Диаграмма приращения кинетической энергии
машины с маховиком (Т=f ((1) (суммарная работа)
3.5 Определение кинетической энергии звеньев имеющих переменный
приведенный момент инерции ( [pic] )
3.6 Диаграмма приращения кинетической энергии первой группы звеньев и
определение момента инерции маховика (Т1 = f ((1)
3.7 Определение размеров маховика
3.8 Определение закона движения входного звена при установившемся режиме
4 Кинетостатическое исследование механизма
2 Графический метод динамического синтеза кулачкового механизма с
поступательно движущимся роликовым и остроконечным толкателем
2.1 Построение кинематических диаграмм
2.2 Определение минимального радиуса кулачка
2.3 Построение профиля кулачка
3 Графический метод динамического синтеза кулачкового механизма с
плоским (тарельчатым) толкателем
3.1 Построение кинематических диаграмм
3.2 Определение минимального радиуса профиля кулачка с плоским
3.3 Построение профиля кулачка
Библиографический список

Приложение 6.cdw

Определение минимального радиуса кулачка
Профилирование кулачка
Данные для построения суммарной диаграммы
Кинематические диаграммы движения толкателя
Основные параметры механизма

1-й лист.cdw

Планы положений механизма
План сил группы (2-3)
План сил группы (4-5)
План сил механизма 1
Кинематический и силовой