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汽車曲柄連桿機(jī)構(gòu)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(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
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(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(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(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
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)，通過它把活塞的往復(fù)直線運(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)鍵性問題[1]。
通過設(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，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中的受力狀態(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)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過程中對(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)在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無需進(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，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正[2]。目前國內(nèi)大學(xué)和企業(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)分析是研究兩個(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，通過各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來求解運(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，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(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]。
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