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汽車曲柄連桿機構設計
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摘 要
本文以捷達EA113汽油機的相關參數作為參考，對四缸汽油機的曲柄連桿機構的主要零部件進行了結構設計計算，并對曲柄連桿機構進行了有關運動學和動力學的理論分析與計算機仿真分析。
首先，以運動學和動力學的理論知識為依據，對曲柄連桿機構的運動規律以及在運動中的受力等問題進行詳盡的分析，并得到了精確的分析結果。其次分別對活塞組、連桿組以及曲軸進行詳細的結構設計，并進行了結構強度和剛度的校核。再次，應用三維CAD軟件：Pro/Engineer建立了曲柄連桿機構各零部件的幾何模型，在此工作的基礎上，利用Pro/E軟件的裝配功能，將曲柄連桿機構的各組成零件裝配成活塞組件、連桿組件和曲軸組件，然后利用Pro/E軟件的機構分析模塊(Pro/Mechanism)，建立曲柄連桿機構的多剛體動力學模型，進行運動學分析和動力學分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉動的情況下，活塞和連桿的運動規律以及曲柄連桿機構的運動包絡。仿真結果的分析表明，仿真結果與發動機的實際工作狀況基本一致，文章介紹的仿真方法為曲柄連桿機構的選型、優化設計提供了一種新思路。
關鍵詞：發動機；曲柄連桿機構；受力分析；仿真建模；運動分析；Pro/E
ABSTRACT
This article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engine’s related parameter achievement, it has carried on the structural design compution for main parts of the crank link mechanism in the gasoline engine with four cylinders, and has carried on theoretical analysis and simulation analysis in computer in kinematics and dynamics for the crank link mechanism.
First, motion laws and stress in movement about the crank link mechanism are analyzed in detail and the precise analysis results are obtained. Next separately to the piston group, the linkage as well as the crank carries on the detailed structural design, and has carried on the structural strength and the rigidity examination. Once more, applys three-dimensional CAD software Pro/Engineer establishing the geometry models of all kinds of parts in the crank link mechanism, then useing the Pro/E software assembling function assembles the components of crank link into the piston module, the connecting rod module and the crank module, then using Pro/E software mechanism analysis module (Pro/Mechanism), establishes the multi-rigid dynamics model of the crank link, and carries on the kinematics analysis and the dynamics analysis simulation, and it studies the piston and the connecting rod movement rule as well as crank link motion gear movement envelopment. The analysis of simulation results shows that those simulation results are meet to true working state of engine. It also shows that the simulation method introduced here can offer a new efficient and convenient way for the mechanism choosing and optimized design of crank-connecting rod mechanism in engine.
Key words: Engine；Crankshaft-Connecting Rod Mechanism；Analysis of Force；Modeling
of Simulation；Movement Analysis；Pro/E
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 選題的目的和意義 1
1.2 國內外的研究現狀 1
1.3 設計研究的主要內容 3
第2章 曲柄連桿機構受力分析 4
2.1 曲柄連桿機構的類型及方案選擇 4
2.2 曲柄連桿機構運動學 4
2.1.1 活塞位移 5
2.1.2 活塞的速度 6
2.1.3 活塞的加速度 6
2.2 曲柄連桿機構中的作用力 7
2.2.1 氣缸內工質的作用力 7
2.2.2 機構的慣性力 7
2.3 本章小結 14
第3章 活塞組的設計 15
3.1 活塞的設計 15
3.1.1 活塞的工作條件和設計要求 15
3.1.2 活塞的材料 16
3.1.3 活塞頭部的設計 16
3.1.4 活塞裙部的設計 21
3.2 活塞銷的設計 23
3.2.1 活塞銷的結構、材料 23
3.2.2 活塞銷強度和剛度計算 23
3.3 活塞銷座 24
3.3.1 活塞銷座結構設計 24
3.3.2 驗算比壓力 24
3.4 活塞環設計及計算 25
3.4.1 活塞環形狀及主要尺寸設計 25
3.4.2 活塞環強度校核 25
3.5 本章小結 26
第4章 連桿組的設計 27
4.1 連桿的設計 27
4.1.1 連桿的工作情況、設計要求和材料選用 27
4.1.2 連桿長度的確定 27
4.1.3 連桿小頭的結構設計與強度、剛度計算 27
4.1.4 連桿桿身的結構設計與強度計算 30
4.1.5 連桿大頭的結構設計與強度、剛度計算 33
4.2 連桿螺栓的設計 35
4.2.1 連桿螺栓的工作負荷與預緊力 35
4.2.2 連桿螺栓的屈服強度校核和疲勞計算 35
4.3 本章小結 36
第5章 曲軸的設計 37
5.1 曲軸的結構型式和材料的選擇 37
5.1.1 曲軸的工作條件和設計要求 37
5.1.2 曲軸的結構型式 37
5.1.3 曲軸的材料 37
5.2 曲軸的主要尺寸的確定和結構細節設計 38
5.2.1 曲柄銷的直徑和長度 38
5.2.2 主軸頸的直徑和長度 38
5.2.3 曲柄 39
5.2.4 平衡重 39
5.2.5 油孔的位置和尺寸 40
5.2.6 曲軸兩端的結構 40
5.2.7 曲軸的止推 40
5.3 曲軸的疲勞強度校核 41
5.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩 41
5.3.2 名義應力的計算 45
5.4 本章小結 47
第6章 曲柄連桿機構的創建 48
6.1 對Pro/E軟件基本功能的介紹 48
6.2 活塞的創建 48
6.2.1 活塞的特點分析 48
6.2.2 活塞的建模思路 48
6.2.3 活塞的建模步驟 49
6.3 連桿的創建 50
6.3.1 連桿的特點分析 50
6.3.2 連桿的建模思路 50
6.3.3 連桿體的建模步驟 51
6.3.4 連桿蓋的建模 52
6.4 曲軸的創建 52
6.4.1 曲軸的特點分析 52
6.4.2 曲軸的建模思路 52
6.4.3 曲軸的建模步驟 53
6.5 曲柄連桿機構其它零件的創建 55
6.5.1 活塞銷的創建 55
6.5.2 活塞銷卡環的創建 55
6.5.3 連桿小頭襯套的創建 55
6.5.4 大頭軸瓦的創建 55
6.5.5 連桿螺栓的創建 56
6.6 本章小結 56
第7章 曲柄連桿機構運動分析 57
7.1 活塞及連桿的裝配 57
7.1.1 組件裝配的分析與思路 57
7.1.2 活塞組件裝配步驟 57
7.1.3 連桿組件的裝配步驟 58
7.2 定義曲軸連桿的連接 59
7.3 定義伺服電動機 60
7.4 建立運動分析 60
7.5 進行干涉檢驗與視頻制作 61
7.6 獲取分析結果 62
7.7 對結果的分析 64
7.8 本章小結 64
結論 65
參考文獻 66
致謝 67
附錄 68
第1章 緒 論
1.1 選題的目的和意義
曲柄連桿機構是發動機的傳遞運動和動力的機構，通過它把活塞的往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動而輸出動力。因此，曲柄連桿機構是發動機中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發動機工作的可靠性。隨著發動機強化指標的不斷提高，機構的工作條件更加復雜。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設計過程中保證機構具有足夠的疲勞強度和剛度及良好的動靜態力學特性成為曲柄連桿機構設計的關鍵性問題[1]。
通過設計，確定發動機曲柄連桿機構的總體結構和零部件結構，包括必要的結構尺寸確定、運動學和動力學分析、材料的選取等，以滿足實際生產的需要。
在傳統的設計模式中，為了滿足設計的需要須進行大量的數值計算，同時為了滿足產品的使用性能，須進行強度、剛度、穩定性及可靠性等方面的設計和校核計算，同時要滿足校核計算，還需要對曲柄連桿機構進行動力學分析。
為了真實全面地了解機構在實際運行工況下的力學特性，本文采用了多體動力學仿真技術，針對機構進行了實時的，高精度的動力學響應分析與計算，因此本研究所采用的高效、實時分析技術對提高分析精度，提高設計水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機構在運行過程中的受力狀態，便于進行精確計算，對進一步研究發動機的平衡與振動、發動機增壓的改造等均有較為實用的應用價值。
1.2 國內外的研究現狀
多剛體動力學模擬是近十年發展起來的機械計算機模擬技術，提供了在設計過程中對設計方案進行分析和優化的有效手段，在機械設計領域獲得越來越廣泛的應用。它是利用計算機建造的模型對實際系統進行實驗研究，將分析的方法用于模擬實驗，充分利用已有的基本物理原理，采用與實際物理系統實驗相似的研究方法，在計算機上運行仿真實驗。目前多剛體動力學模擬軟件主要有Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS等。多剛體動力學模擬軟件的最大優點在于分析過程中無需編寫復雜仿真程序，在產品的設計分析時無需進行樣機的生產和試驗。對內燃機產品的部件裝配進行機構運動仿真，可校核部件運動軌跡，及時發現運動干涉；對部件裝配進行動力學仿真，可校核機構受力情況；根據機構運動約束及保證性能最優的目標進行機構設計優化，可最大限度地滿足性能要求，對設計提供指導和修正[2]。目前國內大學和企業已經已進行了機構運動、動力學仿真方面的研究和局部應用，能在設計初期及時發現內燃機曲柄連桿機構干涉，校核配氣機構運動、動力學性能等，為設計人員提供了基本的設計依據[3-4]。
目前國內外對發動機曲柄連桿機構的動力學分析的方法很多，而且已經完善和成熟。其中機構運動學分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動，即位移、速度和加速度的變化關系：動力學則是研究產生運動的力。發動機曲柄連桿機構的動力學分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉矩等的分析，傳統的內燃機工作機構動力學、運動學分析方法主要有圖解法和解析法[5]。
1、解析法
解析法是對構件逐個列出方程，通過各個構件之間的聯立線性方程組來求解運動副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標法等。
2、圖解法
圖解法形象比較直觀，機構各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢均能通過圖解一目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對計算機結果的判斷和選擇。解析法取點數值較少，繪制曲線精度不高。不經任何計算，對曲柄連桿機構直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復雜[6]。
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