汽车曲柄连杆机构毕业设计
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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/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/E
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.3 设计研究的主要内容 3
第2章 曲柄连杆机构受力分析 4
2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择 4
2.2 曲柄连杆机构运动学 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 曲柄连杆机构中的作用力 7
2.2.1 气缸内工质的作用力 7
2.2.2 机构的惯性力 7
2.3 本章小结 14
第3章 活塞组的设计 15
3.1 活塞的设计 15
3.1.1 活塞的工作条件和设计要求 15
3.1.2 活塞的材料 16
3.1.3 活塞头部的设计 16
3.1.4 活塞裙部的设计 21
3.2 活塞销的设计 23
3.2.1 活塞销的结构、材料 23
3.2.2 活塞销强度和刚度计算 23
3.3 活塞销座 24
3.3.1 活塞销座结构设计 24
3.3.2 验算比压力 24
3.4 活塞环设计及计算 25
3.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计 25
3.4.2 活塞环强度校核 25
3.5 本章小结 26
第4章 连杆组的设计 27
4.1 连杆的设计 27
4.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用 27
4.1.2 连杆长度的确定 27
4.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 27
4.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算 30
4.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算 33
4.2 连杆螺栓的设计 35
4.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力 35
4.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算 35
4.3 本章小结 36
第5章 曲轴的设计 37
5.1 曲轴的结构型式和材料的选择 37
5.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 37
5.1.2 曲轴的结构型式 37
5.1.3 曲轴的材料 37
5.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 38
5.2.1 曲柄销的直径和长度 38
5.2.2 主轴颈的直径和长度 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 曲轴两端的结构 40
5.2.7 曲轴的止推 40
5.3 曲轴的疲劳强度校核 41
5.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩 41
5.3.2 名义应力的计算 45
5.4 本章小结 47
第6章 曲柄连杆机构的创建 48
6.1 对Pro/E软件基本功能的介绍 48
6.2 活塞的创建 48
6.2.1 活塞的特点分析 48
6.2.2 活塞的建模思路 48
6.2.3 活塞的建模步骤 49
6.3 连杆的创建 50
6.3.1 连杆的特点分析 50
6.3.2 连杆的建模思路 50
6.3.3 连杆体的建模步骤 51
6.3.4 连杆盖的建模 52
6.4 曲轴的创建 52
6.4.1 曲轴的特点分析 52
6.4.2 曲轴的建模思路 52
6.4.3 曲轴的建模步骤 53
6.5 曲柄连杆机构其它零件的创建 55
6.5.1 活塞销的创建 55
6.5.2 活塞销卡环的创建 55
6.5.3 连杆小头衬套的创建 55
6.5.4 大头轴瓦的创建 55
6.5.5 连杆螺栓的创建 56
6.6 本章小结 56
第7章 曲柄连杆机构运动分析 57
7.1 活塞及连杆的装配 57
7.1.1 组件装配的分析与思路 57
7.1.2 活塞组件装配步骤 57
7.1.3 连杆组件的装配步骤 58
7.2 定义曲轴连杆的连接 59
7.3 定义伺服电动机 60
7.4 建立运动分析 60
7.5 进行干涉检验与视频制作 61
7.6 获取分析结果 62
7.7 对结果的分析 64
7.8 本章小结 64
结论 65
参考文献 66
致谢 67
附录 68
曲柄连杆机构受力分析
研究曲柄连杆机构的受力，关键在于分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计，以便达到发动机输出转矩及转速的要求。
2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择
内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多，按运动学观点可分为三类，即:中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。
1、中心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机，以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。
2、偏心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e。这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力，使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。
3、主副连杆式曲柄连杆机构
其特点是内燃机的一列气缸用主连杆，其它各列气缸则用副连杆，这些连杆的下端不是直接接在曲柄销上，而是通过副连杆销装在主连杆的大头上，形成了“关节式”运动，所以这种机构有时也称为“关节曲柄连杆机构”。在关节曲柄连杆机构中，一个曲柄可以同时带动几套副连杆和活塞，这种结构可使内燃机长度缩短，结构紧凑，广泛的应用于大功率的坦克和机车用V形内燃机[8]。
经过比较，本设计的型式选择为中心曲柄连杆机构。
2.2 曲柄连杆机构运动学
中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示，图2.1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为连杆小头孔中心或活塞销中心。
当曲柄按等角速度 旋转时，曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动，活塞A点沿气缸中心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动，其大头B点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。在实际分析中，为使问题简单化，一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究[9]。
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