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1、摘要本文以捷达汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。再次，应用Pro/Engineer软件建立曲柄连杆机构各组成零件的几何模型，并利用该软件的装配功能将零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学的分析模拟，在模拟的过程中可以观察
2、曲柄连杆机构的位移、速度、加速度等。研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基本一致，文章介绍的仿真方法为曲柄连杆机构的选型、优化设计提供了一种新思路。关键词：发动机；曲柄连杆组；受力分析；仿真建模；运动分析；Pro/E ABSTRACTThis article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engines related parameter achievement, it has carried on the structural des
3、ign 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 mech
4、anism 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 CA
5、D 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 mech
6、anism 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
7、 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 eng
8、ine.Key words: Engine；Crankshaft-Connecting Rod Mechanism；Analysis of Force；Modelingof Simulation；Movement Analysis；Pro/E目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1国内外的研究现状11.2 选题的目的和意义+11.3 设计研究的主要内容3第2章 机构受力分析42.1 机构的类型及方案选择42.2 机构运动学42.1.1 活塞工作位移52.1.2 活塞的工作速度62.1.3 活塞的工作加速度62.2 机构中的作用力72.2.1 气缸内工质的作用力72.2.2 机构的惯性
9、力72.3 本章小结13第3章 活塞组的设计143.1 活塞的头部及裙部设计143.1.1 活塞的工作条件和设计要求143.1.2 活塞的材料163.1.3 活塞头部的设计163.1.4 活塞裙部的设计213.2 活塞销的设计233.2.1 活塞销的结构、材料233.2.2 活塞销强度和刚度计算233.3 活塞销座243.3.1 活塞销座结构设计243.3.2 验算比压力243.4 活塞环设计及计算253.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计253.4.2 活塞环强度校核253.5 本章小结26第4章 连杆组的设计274.1 连杆的设计274.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用274.1.
10、2 连杆长度的确定274.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算274.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算304.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算334.2 连杆螺栓的设计354.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力354.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算354.3 本章小结36第5章 曲轴的设计375.1 曲轴的结构型式和材料的选择375.1.1 曲轴的工作条件和设计要求375.1.2 曲轴的结构型式375.1.3 曲轴的材料375.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计385.2.1 曲柄销的直径和长度385.2.2 主轴颈的直径和长度385.2.3 曲柄395.2.
11、4 平衡重395.2.5 油孔的位置和尺寸405.2.6 曲轴两端的结构405.2.7 曲轴的止推405.3 曲轴的疲劳强度校核415.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩415.3.2 名义应力的计算455.4 本章小结47第6章 曲柄连杆机构的创建486.1 对Pro/E软件基本功能的介绍486.2 活塞的创建486.2.1 活塞的特点分析486.2.2 活塞的建模思路486.2.3 活塞的建模步骤496.3 连杆的创建506.3.1 连杆的特点分析506.3.2 连杆的建模思路506.3.3 连杆体的建模步骤516.3.4 连杆盖的建模526.4 曲轴的创建526.4.1 曲轴的特点分析5
12、26.4.2 曲轴的建模思路526.4.3 曲轴的建模步骤536.5 曲柄连杆机构其它零件的创建556.5.1 活塞销的创建556.5.2 活塞销卡环的创建556.5.3 连杆小头衬套的创建556.5.4 大头轴瓦的创建556.5.5 连杆螺栓的创建566.6 本章小结56第7章 曲柄连杆机构运动分析577.1 活塞及连杆的装配577.1.1 组件装配的分析与思路577.1.2 活塞组件装配步骤577.1.3 连杆组件的装配步骤587.2 定义曲轴连杆的连接597.3 定义伺服电动机607.4 建立运动分析607.5 进行干涉检验与视频制作617.6 本章小结62结论63参考文献64致谢65附
13、录A66附录B68第1章 绪论1.1 国内外研究现状发动机作为车辆动力装置，结构十分复杂，其性能直接决定着车辆的使用性能，对汽车发生的故障进行研究，指出这些故障大多数来源于发动机及其部件约占41%。曲柄连杆作为发动机的重要部件之一，受力情况十分复杂，其结构参数和加工工艺水平不仅影响整机的尺寸和质量，而且在很大程度上影响发动机的可靠性与寿命。是发动机的设计难点。目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多，而且已经完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动，即位移、速度和加速度的变化关系：动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯
14、性力、轴承力和曲轴转矩等的分析，传统的内燃机工作机构动力学、运动学分析方法主要有图解法和解析法，而现代的设计方法逐渐取代过去的方法，多刚体动力学模拟软件的最大优点在与分析过程中无需编写复杂仿真程序，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供照指导和修正，为设计人员提供了基本的设计依据。1.2 课题研究的目的与意义曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。传统的设计采用静态的分析和设计方法，很难达到使用要求
15、。随着基础理论的拓开，电子计算机与信息技术的发展，虚拟样机技术被广泛应用，传统的设计方法正逐渐被现代设计方法取代，基于这种情况，结合捷达汽油机发动机的设计计算过程，利用现代方法对该机进行了曲轴连杆机构虚拟装配、动力学仿真，等使发动机设计制造技术的进一步发展和提高。在过去十年里，汽车工业发展已经达到了一个空前的高度，发动机市场日益激烈的竞争要求不断缩短产品开发周期，降低成本以及提高产品和质量，因此，现在的发展趋势必须使用电子计算机是发动机设计制造技术的进一步发展和提高，对汽车工业的发展具有重要意义。与此同时为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机
