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1、摘要本文以捷达EA113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，应用三维CAD软件：Pro/Engineer建立了曲柄连杆机构各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用Pro/E软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后利用Pro/
2、E软件的机构分析模块(Pro/Mechanism)，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟，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；曲柄连杆机构；受力分析；仿真建模；运动分析；Pro/EABSTRACTThis article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engines related parameter achieve
3、ment, 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 st
4、ress 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 examinati
5、on. 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 cr
6、ank 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
7、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 desig
8、n of crank-connecting rod mechanism in engine.Key words: Engine；Crankshaft-Connecting Rod Mechanism；Analysis of Force；Modeling of Simulation；Movement Analysis；Pro/EII目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 国内外的研究现状11.3 设计研究的主要内容3第2章 曲柄连杆机构受力分析42.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择42.2 曲柄连杆机构运动学42.1.1 活塞位移52.1.2 活塞的速度62
9、.1.3 活塞的加速度62.2 曲柄连杆机构中的作用力72.2.1 气缸内工质的作用力72.2.2 机构的惯性力72.3 本章小结14第3章 活塞组的设计153.1 活塞的设计153.1.1 活塞的工作条件和设计要求153.1.2 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
10、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274.1.2 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
11、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395.2.4 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
12、 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526.4.2 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
13、建立运动分析607.5 进行干涉检验与视频制作617.6 获取分析结果627.7 对结果的分析647.8 本章小结64结论65参考文献66致谢67附录68第1章 绪论1.1 选题的目的和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。因此，曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题1。通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的
14、总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。在传统的设计模式中，为了满足设计的需要须进行大量的数值计算，同时为了满足产品的使用性能，须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。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构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研
15、究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。1.2 国内外的研究现状多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，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，对设计提供指导和修正2。目前国内大学和企业已经已进
