汽車曲柄連桿機構畢業設計
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摘 要
本文以捷達EA113汽油機的相關參數作為參考，對四缸汽油機的曲柄連桿機構的主要零部件進行了結構設計計算，并對曲柄連桿機構進行了有關運動學和動力學的理論分析與計算機仿真分析。
首先，以運動學和動力學的理論知識為依據，對曲柄連桿機構的運動規律以及在運動中的受力等問題進行詳盡的分析，并得到了精確的分析結果。其次分別對活塞組、連桿組以及曲軸進行詳細的結構設計，并進行了結構強度和剛度的校核。再次，應用三維CAD軟件：Pro/Engineer建立了曲柄連桿機構各零部件的幾何模型，在此工作的基礎上，利用Pro/E軟件的裝配功能，將曲柄連桿機構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軟件的機構分析模塊(Pro/Mechanism)，建立曲柄連桿機構的多剛體動力學模型，進行運動學分析和動力學分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉動的情況下，活塞和連桿的運動規律以及曲柄連桿機構的運動包絡。仿真結果的分析表明，仿真結果與發動機的實際工作狀況基本一致，文章介紹的仿真方法為曲柄連桿機構的選型、優化設計提供了一種新思路。
關鍵詞：發動機；曲柄連桿機構；受力分析；仿真建模；運動分析；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 國內外的研究現狀 1
1.3 設計研究的主要內容 3
第2章 曲柄連桿機構受力分析 4
2.1 曲柄連桿機構的類型及方案選擇 4
2.2 曲柄連桿機構運動學 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 曲柄連桿機構中的作用力 7
2.2.1 氣缸內工質的作用力 7
2.2.2 機構的慣性力 7
2.3 本章小結 14
第3章 活塞組的設計 15
3.1 活塞的設計 15
3.1.1 活塞的工作條件和設計要求 15
3.1.2 活塞的材料 16
3.1.3 活塞頭部的設計 16
3.1.4 活塞裙部的設計 21
3.2 活塞銷的設計 23
3.2.1 活塞銷的結構、材料 23
3.2.2 活塞銷強度和剛度計算 23
3.3 活塞銷座 24
3.3.1 活塞銷座結構設計 24
3.3.2 驗算比壓力 24
3.4 活塞環設計及計算 25
3.4.1 活塞環形狀及主要尺寸設計 25
3.4.2 活塞環強度校核 25
3.5 本章小結 26
第4章 連桿組的設計 27
4.1 連桿的設計 27
4.1.1 連桿的工作情況、設計要求和材料選用 27
4.1.2 連桿長度的確定 27
4.1.3 連桿小頭的結構設計與強度、剛度計算 27
4.1.4 連桿桿身的結構設計與強度計算 30
4.1.5 連桿大頭的結構設計與強度、剛度計算 33
4.2 連桿螺栓的設計 35
4.2.1 連桿螺栓的工作負荷與預緊力 35
4.2.2 連桿螺栓的屈服強度校核和疲勞計算 35
4.3 本章小結 36
第5章 曲軸的設計 37
5.1 曲軸的結構型式和材料的選擇 37
5.1.1 曲軸的工作條件和設計要求 37
5.1.2 曲軸的結構型式 37
5.1.3 曲軸的材料 37
5.2 曲軸的主要尺寸的確定和結構細節設計 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 曲軸兩端的結構 40
5.2.7 曲軸的止推 40
5.3 曲軸的疲勞強度校核 41
5.3.1 作用于單元曲拐上的力和力矩 41
5.3.2 名義應力的計算 45
5.4 本章小結 47
第6章 曲柄連桿機構的創建 48
6.1 對Pro/E軟件基本功能的介紹 48
6.2 活塞的創建 48
6.2.1 活塞的特點分析 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 連桿的創建 50
6.3.1 連桿的特點分析 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 曲軸的創建 52
6.4.1 曲軸的特點分析 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 曲柄連桿機構其它零件的創建 55
6.5.1 活塞銷的創建 55
6.5.2 活塞銷卡環的創建 55
6.5.3 連桿小頭襯套的創建 55
6.5.4 大頭軸瓦的創建 55
6.5.5 連桿螺栓的創建 56
6.6 本章小結 56
第7章 曲柄連桿機構運動分析 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 定義伺服電動機 60
7.4 建立運動分析 60
7.5 進行干涉檢驗與視頻制作 61
7.6 獲取分析結果 62
7.7 對結果的分析 64
7.8 本章小結 64
結論 65
參考文獻 66
致謝 67
附錄 68
曲柄連桿機構受力分析
研究曲柄連桿機構的受力，關鍵在于分析曲柄連桿機構中各種力的作用情況，并根據這些力對曲柄連桿機構的主要零件進行強度、剛度、磨損等方面的分析、計算和設計，以便達到發動機輸出轉矩及轉速的要求。
2.1 曲柄連桿機構的類型及方案選擇
內燃機中采用曲柄連桿機構的型式很多，按運動學觀點可分為三類，即:中心曲柄連桿機構、偏心曲柄連桿機構和主副連桿式曲柄連桿機構。
1、中心曲柄連桿機構
其特點是氣缸中心線通過曲軸的旋轉中心，并垂直于曲柄的回轉軸線。這種型式的曲柄連桿機構在內燃機中應用最為廣泛。一般的單列式內燃機，采用并列連桿與叉形連桿的V形內燃機，以及對置式活塞內燃機的曲柄連桿機構都屬于這一類。
2、偏心曲柄連桿機構
其特點是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉中心線，但不通過曲軸的回轉中心，氣缸中心線距離曲軸的回轉軸線具有一偏移量e。這種曲柄連桿機構可以減小膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時作用在氣缸壁兩側的側壓力大小比較均勻。
3、主副連桿式曲柄連桿機構
其特點是內燃機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“關節式”運動，所以這種機構有時也稱為“關節曲柄連桿機構”。在關節曲柄連桿機構中，一個曲柄可以同時帶動幾套副連桿和活塞，這種結構可使內燃機長度縮短，結構緊湊，廣泛的應用于大功率的坦克和機車用V形內燃機[8]。
經過比較，本設計的型式選擇為中心曲柄連桿機構。
2.2 曲柄連桿機構運動學
中心曲柄連桿機構簡圖如圖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。
當曲柄按等角速度 旋轉時，曲柄OB上任意點都以O點為圓心做等速旋轉運動，活塞A點沿氣缸中心線做往復運動，連桿AB則做復合的平面運動，其大頭B點與曲柄一端相連，做等速的旋轉運動，而連桿小頭與活塞相連，做往復運動。在實際分析中，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集中質量，認為它們分別做旋轉和往復運動，這樣就不需要對連桿的運動規律進行單獨研究[9]。
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