【正文】 精確求解各種運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)態(tài)過程，從而形成了機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。 縱 觀世界汽車產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)正以優(yōu)異的性能，更好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性為方向得到日益廣泛的重視和發(fā)展。進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 機(jī)的環(huán)保與節(jié)能將成為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。 研究的目的及意義 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。在作功沖程中，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馔苿?dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞通過連桿帶動(dòng)曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能而對(duì)外輸出動(dòng)力；在其它沖程中，則依靠曲柄和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性、通過連桿帶動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng) ，為下一次作功創(chuàng)造條件。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是提供燃燒場(chǎng)所，把燃料燃燒后氣體作用在活塞頂上的膨脹壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，不斷輸出動(dòng)力。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)由機(jī)體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。（ 1）機(jī)體組：氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋、曲軸箱及油底殼、曲軸箱、汽缸套；（ 2）活塞連桿組：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿；（ 3）曲軸飛輪組：曲軸、飛輪、扭轉(zhuǎn)減振器、平衡軸。 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。 研究的主要內(nèi)容 以桑塔納 20xxAJR型發(fā)動(dòng)機(jī)為例對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有： （ 1）對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，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(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 剛度等方面的計(jì)算和校核，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求； （ 2）分析曲柄連桿機(jī)構(gòu) 中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的工作條件和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求； （ 3）應(yīng)用 Pro/E 軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)干涉，獲取分析結(jié)果； （ 4）應(yīng)用 Pro/E 軟件將零件模型圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用AutoCAD 軟件，系統(tǒng)地反應(yīng)工程圖上的各類信息，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 2 總體方案的設(shè)計(jì) 原始參數(shù)的選定 表 1 桑塔納 20xxAJR 型發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù) 氣缸排列方式 直列四缸 供油方式 電控燃油 噴射 排量 /L 缸徑 /mm 沖程（行程） /mm 沖程 /缸徑 連桿長(zhǎng) /mm 144 曲軸半徑 /mm 轉(zhuǎn)矩 曲軸軸承座 5 壓縮比 額定功率 /kW 74(5200 r/min) 最大扭矩 /(Nm) 155(3800 r/min) 點(diǎn)火順序 1— 3— 4— 2 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 表 2 四缸機(jī)工作循環(huán)表 曲軸轉(zhuǎn)角（ 176。） 第一缸 第二缸 第三缸 第四缸 0～ 180 做功 排氣 壓縮 進(jìn)氣 180～ 360 排氣 進(jìn)氣 做功 壓縮 360～ 540 進(jìn)氣 壓縮 排氣 做功 540～ 720 壓縮 做功 進(jìn)氣 排氣 原理性方案設(shè)計(jì) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。由 機(jī)體組 :氣缸體、氣缸蓋、曲軸箱體、氣缸套、氣缸墊；活塞連桿組：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連 桿大頭蓋；曲軸飛輪組：曲軸、飛輪、曲軸正時(shí)齒輪三大部分組成。 工作原理就是：燃料燃燒后的能量推動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng) ，再由連桿帶動(dòng)曲軸作 圓周運(yùn)動(dòng) 。為了吸入新鮮 空氣 和排除廢氣，設(shè)有進(jìn)、排氣系統(tǒng)等?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其頂面從一個(gè)方向轉(zhuǎn)為相反 方向的轉(zhuǎn)變點(diǎn)的位置稱為止點(diǎn)?；钊斆骐x曲軸中心線最遠(yuǎn)時(shí)的止點(diǎn)，稱為上止點(diǎn) ， 活塞頂面離曲軸中心線最近時(shí)的止點(diǎn)稱為下止點(diǎn)，活塞運(yùn)行的上、下兩個(gè)止點(diǎn)之間的距離 s 稱為活塞行程。曲軸與連桿下端的連接中心至曲軸中心的垂直距離月稱為曲柄半徑 。 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)包括四個(gè)活塞行程：進(jìn)氣行程、壓縮沖程、作功行程、和排氣行程。進(jìn)氣行程 ： 汽油機(jī)將空氣與燃料先在氣缸的外部的化油器中、節(jié)氣門體處或進(jìn)氣道內(nèi)進(jìn)行混合，形成可燃混合氣后被吸入氣缸。壓縮行程 ： 為使吸入氣缸的可燃混合氣能迅速燃燒，以產(chǎn)生較大的壓力，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出較大功率， 必須在燃燒前將可燃混合氣壓縮，使其容積縮小，密度加大，溫度升高，故需要有壓縮過程。在這個(gè)過程中，進(jìn)、排氣門全部關(guān)閉，曲軸推動(dòng)活塞由下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)行程，稱為壓縮行程 ， 壓縮前氣缸中氣體的最大容積與山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 壓縮后的最小容積之比稱為壓縮比 。 作功行程 ： 在這個(gè)行程中，進(jìn)、排氣門關(guān)閉 ， 當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，裝在氣缸體 (或氣缸蓋 )上的火化塞即發(fā)出電火花，點(diǎn)燃被壓縮的可燃混合氣。排氣行程 ： 可燃混合氣燃燒后生成的廢氣，必須從氣缸中排除，以便進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán) ， 當(dāng)膨脹接近終了時(shí)，排氣門丌啟，靠廢氣的壓力進(jìn)行自由排氣，活塞到達(dá)下止點(diǎn) 后再向上止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，繼續(xù)將廢氣強(qiáng)制排到大氣中。活塞到上止點(diǎn)附近時(shí)，排氣行程結(jié)束。經(jīng)過進(jìn)氣、壓縮、燃燒作功、排氣四個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)。 結(jié)構(gòu)性方案設(shè)計(jì) 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)。 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(duì)置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。 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。 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)山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 構(gòu)可使內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)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)。 設(shè)計(jì)方案的確定 經(jīng)過比較，設(shè)計(jì)的型式選擇為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 所示，圖 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 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(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)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(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究。 圖 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 計(jì)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 設(shè)方案主要圍繞以下內(nèi)容展開：以活塞的 位移、速度、加速度為主對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析；曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力主要以氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力和機(jī)構(gòu)的慣性力展開；連桿組的設(shè)計(jì)分為連桿的工作情況、材料選取、小頭和大頭的強(qiáng)度及剛度計(jì)算、螺栓的負(fù)荷與預(yù)緊力的計(jì)算機(jī)強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算；曲軸設(shè)計(jì)方面主要以曲軸結(jié)構(gòu)型式、材料的選取、尺寸的確定及疲勞強(qiáng)度校核為主；應(yīng)用 ProE 建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要零件模型并進(jìn)行裝配，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 3 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(duì)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。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 活塞位移 假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄轉(zhuǎn)角為 ? ，并按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，連桿軸線在其運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為 ? ，如圖 所示。 當(dāng) ? = ?0 時(shí)，活塞銷中心 A 在最上面的位置 A1，此位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng)? =180? 時(shí)， A 點(diǎn)在最下面的位置 A2，此位置稱為下止點(diǎn)。 此時(shí)活塞的位移 x 為 : x= AA1 = AOOA ?1 =(r+ l ) )c o sc o s( ?? lr ?? = )]c o s1(1)c o s1[( ??? ???r（ ） 式中： ? — 連桿比。 式（ ）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由圖 可以看出： ?? sinsin lr ? 即 ???? s ins ins in ?? lr 又由于 ???? 222 s in1s in1c os ???? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 X= )]s in1(1c o s1[ 22 ???? ???r （ ） 式（ ）是計(jì)算活塞位移 x 的精確公式 ,為便于計(jì)算，可將式（ ）中的根號(hào)按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得： ?????? ???????? 6642222 s i n161s i n81s i n1s i n1 ? 考慮到 ? ≤ 1∕ 3，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。只保留前兩項(xiàng)，則 ???? 2222 s in211s in1 ??? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得 )s in2c o s1( 2 ??? ??? rx （ ） 活塞的速度 將活塞位移公式（ ）對(duì)時(shí)間 t進(jìn)行微分，即可求得活塞速度 v 的精確值為 ?v )co s2s in2( s in ????? ???? rdtdadadxdtdx () 將式（ ）對(duì)時(shí)間 t 微分，便可求得活塞速度得近似公式為： 212s i n2s i n)2s i n2( s i n vvrrrv ?????? ????????? （ ） 從式（ ）可以看出，活塞速度可視為由 ??sin1 rv ? 與 ??? 2sin)2(2 rv ?兩部分簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所組成。 當(dāng) ??0? 或 ?180 時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)??90? 時(shí)， ?rv? ，此時(shí)活塞得速 度等于曲柄銷中心的圓周速度。 活塞的加速度 將式（ ）對(duì)時(shí)間 t 微分，可求得活塞加速度的精確值為： 山 東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 ]c os 2s i n4c os 2c os[ c os 3232 ???????? ?????? rdtdadadvdtdva （ ） 將式（ ）對(duì)時(shí)間 t 為微分，可求得活塞加速度的近似值為： 21222 2c o sc o s)2c o s( c o s aarrra ?????? ????????? （ ） 因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由?? cos21 ra ? 與 ??? 2cos22 ra ? 兩部分組成。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力 作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。由于摩擦力的數(shù)值較小且變化規(guī)律很難掌握，受力分析時(shí)把摩擦阻力忽略不計(jì)。而負(fù)載阻力與主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)，無需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力變化規(guī)