汽車(chē)曲柄連桿機(jī)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)

黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 本文 以 捷達(dá) EA113 汽油機(jī) 的相關(guān)參數(shù)作為參考 ， 對(duì)四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了 有關(guān) 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析與計(jì)算機(jī) 仿真 分析。 首先，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)為依據(jù) ， 對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)中的受力等問(wèn)題進(jìn)行詳盡的分析 ， 并得到了精確的分析結(jié)果。其次分別對(duì)活塞組、連桿組以及曲軸進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ， 并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的校核。再次，應(yīng)用三維 CAD 軟件： Pro/Engineer 建立了曲柄連桿機(jī)構(gòu) 各零部件 的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用 Pro/E 軟件的裝配功能，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)分析模塊 (Pro/Mechanism)，建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻 速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，活塞和連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò) 。 仿真結(jié)果的 分析表明 ， 仿真結(jié)果與 發(fā)動(dòng) 機(jī)的實(shí)際工作狀況基本一致 ，文章介紹的仿真方法為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的選型 、 優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新思路 。 關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；受力分析； 仿真建模 ； 運(yùn)動(dòng)分 析 ； Pro/E 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) ABSTRACT This article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engines 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 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1 1.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 3 第 2 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 4 2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型及方案選擇 4 2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 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(jī)構(gòu)中的作用力 7 2.2.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 7 2.2.2 機(jī)構(gòu)的慣 性力 7 2.3 本章小結(jié) 14 第 3 章 活塞組的設(shè)計(jì) 15 3.1 活塞的設(shè)計(jì) 15 3.1.1 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 15 3.1.2 活塞的材料 16 3.1.3 活塞頭部的設(shè)計(jì) 16 3.1.4 活塞裙部的設(shè)計(jì) 21 3.2 活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì) 23 3.2.1 活塞銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)、材料 23 3.2.2 活塞銷(xiāo)強(qiáng)度和剛度計(jì)算 23 3.3 活塞銷(xiāo)座 24 3.3.1 活塞銷(xiāo)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3.3.2 驗(yàn)算比壓力 24 3.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 25 3.4.1 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 25 3.4.2 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 25 3.5 本章小結(jié) 26 第 4 章 連桿組的設(shè)計(jì) 27 4.1 連桿的設(shè)計(jì) 27 4.1.1 連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用 27 4.1.2 連桿長(zhǎng)度的確定 27 4.1.3 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 27 4.1.4 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 30 4.1.5 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算 33 4.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 35 4.2.1 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 35 4.2.2 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 35 4.3 本章小結(jié) 36 第 5 章 曲軸的設(shè)計(jì) 37 5.1 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 37 5.1.1 曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求 37 5.1.2 曲軸的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì) 38 5.2.1 曲柄銷(xiāo)的直徑和長(zhǎng)度 38 5.2.2 主軸頸的直徑和長(zhǎng)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(jié)構(gòu) 40 5.2.7 曲軸的止推 40 5.3 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 41 5.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩 41 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5.3.2 名義應(yīng)力的計(jì)算 45 5.4 本章小結(jié) 47 第 6 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 48 6.1 對(duì) Pro/E 軟件基本功 能的介紹 48 6.2 活塞的創(chuàng)建 48 6.2.1 活塞的特點(diǎn)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(chuàng)建 50 6.3.1 連桿的特點(diǎn)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(chuàng)建 52 6.4.1 曲軸的特點(diǎn)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(jī)構(gòu)其它零件的創(chuàng)建 55 6.5.1 活塞銷(xiāo)的創(chuàng)建 55 6.5.2 活塞銷(xiāo)卡環(huán)的創(chuàng)建 55 6.5.3 連桿小頭襯套的創(chuàng)建 55 6.5.4 大頭軸瓦的創(chuàng)建 55 6.5.5 連桿螺栓的創(chuàng) 建 56 6.6 本章小結(jié) 56 第 7 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī) 60 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7.4 建立運(yùn)動(dòng)分析 60 7.5 進(jìn)行干涉檢驗(yàn)與視頻制作 61 7.6 獲取分析結(jié)果 62 7.7 對(duì)結(jié)果的分析 64 7.8 本章小結(jié) 64 結(jié)論 65 參考文獻(xiàn) 66 致謝 67 附錄 68 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒 論 1.1 選 題的目的和意義 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是 發(fā)動(dòng) 機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過(guò)它把活塞的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是 發(fā)動(dòng) 機(jī)中主要的受力部件 ，其工作可靠性就決定了 發(fā)動(dòng) 機(jī)工作的可靠性。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的 疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題 1。 通過(guò)設(shè)計(jì)，確定發(fā)動(dòng)機(jī) 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、材料的選取等，以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需要。 在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)為了滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，同時(shí) 要滿(mǎn)足校核計(jì)算， 還 需 要對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。 為了真實(shí)全面地了解機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，針對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了 實(shí)時(shí)的，高精度的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析與計(jì)算，因此本研究所采 用的高效、實(shí)時(shí)分析技術(shù)對(duì)提高分析精度，提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義，而且 可以更直觀(guān)清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計(jì) 算， 對(duì)進(jìn)一步研究 發(fā)動(dòng) 機(jī)的平衡與振動(dòng)、 發(fā)動(dòng) 機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 多剛體動(dòng)力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來(lái)的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn) ，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。目前多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件主要有 Pro/Mechanics， Working model 3D， ADAMS 等。多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過(guò)程中無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無(wú)需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)。對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真， 可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿(mǎn)足性能要求， 對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正 2。目前國(guó)內(nèi)大學(xué)和企黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用 ，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù) 3-4。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì) 發(fā)動(dòng) 機(jī) 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 的動(dòng)力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟。其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系 ： 動(dòng)力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。 發(fā)動(dòng) 機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉(zhuǎn)矩等的分析，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法 5。 1、解析法 解析法是對(duì)構(gòu)件逐個(gè)列出方程，通過(guò)各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線(xiàn)性方程 組 來(lái)求解運(yùn)動(dòng)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(biāo)法等。 2、圖解法 圖解法形象比較直觀(guān)，機(jī)構(gòu) 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(shì)均能通過(guò)圖解一目了然。圖解法作為解析 法的輔助手段，可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇。 解析法取點(diǎn)數(shù)值較少，繪制曲線(xiàn)精度不高。不經(jīng)任何計(jì)算，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)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(fù)雜 6。 3、復(fù)數(shù)向量法 復(fù)數(shù)向量法是以各個(gè)桿件作為向量，把在復(fù)平面上的連接過(guò)程用復(fù)數(shù)形式加以表達(dá)，對(duì)于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的解析式就時(shí)間求導(dǎo)后，可以得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較好方法。 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過(guò)去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻難以計(jì)算出供工程設(shè)計(jì)使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算 表達(dá)式來(lái)精確求解各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而形成了機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過(guò)去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析式，卻難以計(jì)算出供工程使用的計(jì)算結(jié)果，不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來(lái)精確求解各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)態(tài)過(guò)程，從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計(jì)算機(jī) 輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，進(jìn)而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力 5。 目前 ， 在對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí) ，大多采用的是專(zhuān)業(yè)的虛擬樣機(jī)商業(yè)軟件 ， 如 ADAMS 等 。 這些軟件的功能重點(diǎn)是在力學(xué)分析上 ， 在建模方面還是有很多不足 ， 尤其是對(duì)這些復(fù)雜的曲柄連桿機(jī)構(gòu)零部件的三維建模很難實(shí)現(xiàn) 。 因而在其仿真分析過(guò)程中對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助 CAD 軟件來(lái)完成 ， 如 Pro/E、 UG、 Solidworks 等 4。 當(dāng)考慮到對(duì)多柔體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí) ，有時(shí) 還需要結(jié)合 Ansys 等專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件來(lái)進(jìn)行 7。 這一過(guò)程十分復(fù)雜 ， 不僅需要對(duì)這些軟件有一定了解 ， 還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題 ， 而且軟件使用成本也很高 。 1.3 設(shè)計(jì) 研究的 主要 內(nèi)容 對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 進(jìn)行 深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有 ： （ 1） 對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析， 分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零 部 件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的 計(jì)算和校核 ，以便 達(dá)到設(shè)計(jì)要求； （ 2） 分析 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 中主要零部件如 活塞，曲軸，連桿 等的工作條件和設(shè) 計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求 ； （ 3） 應(yīng)用 Pro/E 軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體 模型， 并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)干涉，獲取分析結(jié)果 ； （ 4） 應(yīng)用 Pro/E 軟件將零件模型圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用 AutoCAD軟件， 系統(tǒng)地反應(yīng)工程圖上的各類(lèi)信息，以便實(shí)現(xiàn)對(duì) 機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力， 關(guān)鍵在于分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、磨損等方面的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，以便達(dá)到 發(fā)動(dòng) 機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求。 2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型 及方案選擇 內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多，按運(yùn)動(dòng)學(xué)觀(guān)點(diǎn)可分為三類(lèi)，即 :中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 1、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其 特點(diǎn)是氣缸中心線(xiàn)通過(guò)曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用并列連桿與叉形連桿的 V 形內(nèi)燃機(jī) ，以及對(duì)置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類(lèi)。 2、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其 特點(diǎn)是氣缸中心線(xiàn)垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)，但不通過(guò)曲軸的回轉(zhuǎn)中心，氣缸中心線(xiàn)距離曲軸的回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)具有一偏移量 e。這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以減小膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側(cè)壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時(shí)作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻。 3、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其 特點(diǎn) 是 內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿，其它各列氣缸則用副連桿，這些連桿的下端不是直接接在曲柄銷(xiāo)上，而是通過(guò)副連桿銷(xiāo)裝在主連 桿 的大頭上，形成了 “ 關(guān)節(jié)式 ”運(yùn)動(dòng)，所以這種機(jī) 構(gòu)有時(shí)也稱(chēng)為 “ 關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu) ” 。 在關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，一個(gè)曲柄可以同時(shí) 帶動(dòng) 幾 套 副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機(jī)車(chē)用 V 形內(nèi)燃機(jī) 8。 經(jīng)過(guò)比較，本設(shè)計(jì)的型式選擇為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如 圖 2.1 所示， 圖 2.1 中氣缸中心線(xiàn)通過(guò)曲軸中心 O， OB為曲柄， AB 為連桿， B 為曲柄銷(xiāo)中心， A 為連桿小頭孔中心或活塞銷(xiāo)中心。 當(dāng)曲柄按等角速度 旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄 OB 上任意點(diǎn)都以 O 點(diǎn)為圓心做等速 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞 A 點(diǎn)沿氣缸中心線(xiàn)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿 AB 則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng)，其大頭 B 點(diǎn) 與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際分析黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 中，為使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)化為分別集中于連桿大頭和小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們 分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需要對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究 9。 圖 2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就 是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 2.1.1 活塞位移 假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄轉(zhuǎn)角為 ，并按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，連桿軸線(xiàn)在其運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線(xiàn)的角度為 ，如圖 2.1 所示 。 當(dāng) = 0 時(shí)，活塞銷(xiāo)中心 A 在最上面的位置 A1，此位置稱(chēng)為上止點(diǎn)。當(dāng) =180 時(shí)，A 點(diǎn)在 最下面的位置 A2，此位置稱(chēng)為下止點(diǎn)。 此時(shí)活塞的位移 x 為 : x= AA1 = AOOA 1 =(r+l ) )c osc os( lr = )c o s1(1)c o s1( r（ 2.1） 式中 ： 連桿比。 式（ 2.1）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由圖 2.1 可以看出 ： sinsin lr 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 即 s ins ins in lr又由于 222 s i n1s i n1c o s （ 2.2） 將 式 （ 2.2） 帶入式（ 2.1）得 ： x= )s in1(1c os1 22 r（ 2.3） 式 （ 2.3） 是計(jì)算活塞位移 x 的精確公式 ,為便于計(jì)算，可將式（ 2.3）中的根號(hào)按牛頓二項(xiàng)式定理展開(kāi)，得 ： 6642222 s i n161s i n81s i n1s i n1 考慮到 13，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。只保留前兩項(xiàng)，則 2222 s i n211s i n1 （ 2.4） 將式（ 2.4）帶入式（ 2.3）得 )s in2c o s1( 2 rx （ 2.5） 2.1.2 活塞的 速度 將活塞位移公式（ 2.1）對(duì)時(shí)間 t 進(jìn)行微分，即可求得活塞速度 v 的精確值為 v )c o s2s i n2( s i n rdtdadadxdtdx(2.6) 將式（ 2.5）對(duì)時(shí)間 t 微分，便可求得活塞速度得近似公式為 ： 212s i n2s i n)2s i n2( s i n vvrrrv （ 2.7） 從式 （ 2.7） 可以看出，活塞速度可視為由 sin1 rv 與 2s in)2(2 rv 兩部分簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所組成。 當(dāng) 0 或 180 時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng) 90 時(shí)，rv ，此時(shí)活塞得速度等于曲柄銷(xiāo)中心的圓周速度。 2.1.3 活塞的加速度 將式（ 2.6）對(duì)時(shí)間 t 微分，可求得活塞加速度的 精確值為 ： c o s 2s i n4c o s 2c o s c o s 3232 rdtdadadvdtdva （ 2.8） 將式（ 2.7）對(duì)時(shí)間 t 為微分，可求得活塞加速度的近似值為 ： 21222 2c o sc o s)2c o s( c o s aarrra （ 2.9） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由 cos21 ra 與 2cos22 ra 兩部分組成。 2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力 作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力 、摩擦阻力和作用在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。由于摩擦力的數(shù)值較小且變化規(guī)律很難掌握，受力分析時(shí)把摩擦阻力忽略不計(jì)。而負(fù)載阻力與主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)，無(wú)需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)件的作用。 計(jì)算過(guò)程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照 EA1113 汽油機(jī)，如附表 1 所示。 2.2.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 作用在活塞上的氣體作用力gP等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活塞頂面積的乘積，即 )(4 2 ppDPg （ 2.10） 式中 ：gP活塞上的氣體作用力 ， N ； p 缸內(nèi)絕對(duì)壓力 ， MPa ； p 大氣壓力 ， MPa ； D 活塞直徑 ， mm 。 由于活塞直徑是一定的，活塞上的氣體作用力取決于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差 pp ，對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，一般取 p =0.1MPa ， mmD 985.80 ,對(duì)于缸內(nèi)絕對(duì)壓力 p ， 在發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)沖程中， 計(jì)算結(jié)果 如 表 2.1 所示 ： 則 由式（ 2.10） 計(jì)算氣 壓力gP如 表 2.2 所示 。 2.2.2 機(jī)構(gòu)的慣性力 慣性力是由于運(yùn)動(dòng)不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機(jī)構(gòu)的慣性力，必須先知道其加速度和質(zhì)量的分布。加速度從運(yùn)動(dòng)學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡(jiǎn)化。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。 1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量換算 質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)等效性。質(zhì)量換算的目的是計(jì)算零件的運(yùn)動(dòng)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 質(zhì)量，以便進(jìn)一步計(jì)算它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的慣性力 9。 表 2.1 缸內(nèi)絕對(duì)壓力 p 計(jì)算結(jié) 果 四個(gè)沖程終點(diǎn)壓力 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果 /MPa 進(jìn)氣終點(diǎn)壓力dep)90.075.0( ppde 0.08 壓縮終點(diǎn)壓力cop1nedeco pp 1.46 膨脹終點(diǎn)壓力exp2maxnex pp 0.45 排氣終點(diǎn)壓力 rp 15.1 ppr 0.115 注： 1n 平均壓縮指數(shù)， 1n =1.32 1.38； 壓縮比， =9.3； 2n 平均膨脹指數(shù)，2n =1.2 1.30； ； maxp 最大爆發(fā)壓力， maxp =3 5MPa ，取 maxp =4.5MPa ； 此時(shí)壓力角 = 1510 ，取 = 13 。 表 2.2 氣壓力gP計(jì)算結(jié)果 四 個(gè) 沖 程 gP /N 進(jìn)氣終點(diǎn) 77.23 壓縮終點(diǎn) -102.97 膨脹終點(diǎn) 7001.933 排氣終點(diǎn) 1801.968 （ 1） 連桿質(zhì)量的換算 連桿是做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的零件。為了方便計(jì)算，將整個(gè)連桿（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量 Lm 用兩個(gè)換算質(zhì)量 1m 和 2m 來(lái)代換，并假設(shè)是 1m 集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量； 2m 是集中作用在連桿大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量 ， 如圖 2.2 所示 ： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 圖 2.2 連桿質(zhì)量的換算簡(jiǎn)圖 為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來(lái)的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效，必須滿(mǎn)足下列三個(gè)條件： 連桿總質(zhì)量不變，即 21 mmm L 。 連桿重心 G 的位置不變，即 )( 1211 llmlm 。 連桿相對(duì)重心 G 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GI不變，即GIllmlm 222211 )(。 其中， l 連桿長(zhǎng)度， 1l 為連桿重心 G 至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公式： l llmm L 11 llmm L 12 用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置 G 。 將連桿分成若干簡(jiǎn)單的幾何圖形，分別計(jì)算出各段連桿重量和它的重心位置 ，再按照索多邊形作圖法，求出整個(gè)連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量 1G 和 2G ， 如圖 2.3 所示 ： 圖 2.3 索多邊形法 4 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) ww