汽車曲柄連桿機(jī)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)
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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)的理論知識為依據(jù)，對曲柄連桿機(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
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(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 活塞銷的設(shè)計(jì) 23
3.2.1 活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料 23
3.2.2 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算 23
3.3 活塞銷座 24
3.3.1 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
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(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
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 活塞銷的創(chuàng)建 55
6.5.2 活塞銷卡環(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
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
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)觀點(diǎn)可分為三類，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)是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。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)，以及對置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。
2、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)
其特點(diǎn)是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線，但不通過曲軸的回轉(zhuǎn)中心，氣缸中心線距離曲軸的回轉(zhuǎn)軸線具有一偏移量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上，而是通過副連桿銷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)車用V形內(nèi)燃機(jī)[8]。
經(jīng)過比較，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)簡圖如圖2.1所示，圖2.1中氣缸中心線通過曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿，B為曲柄銷中心，A為連桿小頭孔中心或活塞銷中心。
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(shè)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)際分析中，為使問題簡單化，一般將連桿簡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)，這樣就不需要對連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究[9]。
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