【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文） 捷達(dá) EA113 四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計【畢業(yè)論文】 捷達(dá) EA113 四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計 摘 要 本文捷達(dá) EA113 汽油機(jī)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)計計算并對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)和動力學(xué)的理論分析與計算機(jī)分析首先以運動學(xué)和動力學(xué)的理論知識為依據(jù)對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律以及在運動中的受力等問題進(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 ProEngineer建立了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的幾何模型在此工作的基礎(chǔ)上利用 ProE 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 ProE 軟件的機(jī)構(gòu)分析模塊 ProMechanism 建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的多剛體動力學(xué)模型進(jìn)行運動學(xué)分析和動力學(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)動的情況下活塞和連桿的運動規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運動包絡(luò)關(guān)鍵詞發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 ABSTRACT This article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engines related parameter achievement it has carried on the structural design pution 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 puter 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 threedimensional CAD software ProEngineer establishing the geometry models of all kinds of parts in the crank link mechanism then useing the ProE software assembling function assembles the ponents of crank link into the piston module the connecting rod module and the crank module then using ProE software mechanism analysis module ProMechanism establishes the multirigid 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 crankconnecting rod mechanism in engine Key words EngineCrankshaftConnecting Rod MechanismAnalysis of ForceModeling of SimulationMovement AnalysisProE 目 錄摘要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 11 選題的目的和意義 1 12 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1 13 設(shè)計研究的主要內(nèi)容 3 第 2 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 4 21 曲柄連桿 機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇 4 22 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運動學(xué) 4 活塞位移 5 活塞的速度 6 活塞的加速度 6 22 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力 7 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 7 機(jī)構(gòu)的慣性力 7 23 本章小結(jié) 14 第 3 章 活塞組的設(shè)計 15 31 活塞的設(shè)計 15 活塞的工作條件和設(shè)計要求 15 活塞的材料 16 活塞頭部的設(shè)計 16 活塞裙部的設(shè)計 21 32 活塞銷的設(shè)計 23 活塞銷的結(jié)構(gòu)材料 23 活塞銷強(qiáng)度和剛度計算 23 33 活塞銷座 24 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 驗算比壓力 24 34 活塞環(huán)設(shè)計及計算 25 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計 25 活塞環(huán)強(qiáng)度校核 25 35 本章小結(jié) 26 第 4 章 連桿組的設(shè)計 27 41 連桿的設(shè)計 27 連桿的工作情況設(shè)計要求和材料選用 27 連桿長度的確定 27 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度剛度計算 27 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度計算 30 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度剛度計算 33 42 連桿螺栓的設(shè)計 35 連 桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 35 連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計算 35 43 本章小結(jié) 36 第 5 章 曲軸的設(shè)計 37 51 曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇 37 曲軸的工作條件和設(shè)計要求 37 曲軸的結(jié)構(gòu)型式 37 曲軸的材料 37 52 曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計 38 曲柄銷的直徑和長度 38 主軸頸的直徑和長度 38 曲柄 39 平衡重 39 油孔的位置和尺寸 40 曲軸兩端的結(jié)構(gòu) 40 曲軸的止推 40 53 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 41 作用于單元曲拐上的力和力矩 41 名義應(yīng)力的計算 45 54 本章小結(jié) 47 第 6 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 48 61 對 ProE 軟件基本功能的介紹 48 62 活塞的創(chuàng)建 48 活塞的特點分析 48 活塞的建模思路 48 活塞的建模步驟 49 63 連桿的創(chuàng)建 50 連桿的特點分析 50 連桿的建模思路 50 連桿體的建模步驟 51 連桿蓋的建模 52 64 曲軸的創(chuàng)建 52 曲軸的特點分析 52 曲軸的建模思路 52 曲軸的建模步驟 53 65 曲柄連桿機(jī)構(gòu)其它零件的創(chuàng)建 55 活塞銷的創(chuàng)建 55 活塞銷卡環(huán)的創(chuàng)建 55 連桿小頭襯套的創(chuàng)建 55 大頭軸瓦的創(chuàng)建 55 連桿螺栓的創(chuàng)建 56 66 本章小結(jié) 56 第 7 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運動分析 57 71 活塞及連桿的裝配 57 組件裝配的分析與思路 57 活塞組件裝配步驟 57 連桿組件的裝配步驟 58 72 定義曲軸連桿的連接 59 73 定義伺服電動機(jī) 60 74 建 立運動分析 60 75 進(jìn)行干涉檢驗與視頻制作 61 76 獲取分析結(jié)果 62 77 對結(jié)果的分析 64 78 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 11 選題的目的和意義曲柄連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)的傳遞運動和動力的機(jī)構(gòu)通過它把活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而輸出動力因此曲柄連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)中主要的受力部件其工作可靠性就決定了機(jī)工作的可靠性在傳統(tǒng)的設(shè)計模式中為了滿足設(shè)計的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計算同時為了滿足產(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)計和校核計算要 滿足校核計算要對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運行過程中的受力狀態(tài)便于進(jìn)行精確計算對進(jìn)一步研究機(jī)的平衡與振動機(jī)增壓的改造等均有較為實用的應(yīng)用價值 12 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外對機(jī)的動力學(xué)分析的方法很多而且已經(jīng)完善和成熟其中機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動即位移速度和加速度的變化關(guān)系動力學(xué)則是研究產(chǎn)生運動的力機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(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)動力學(xué)運動學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法 1 解析法是對 構(gòu)件逐個列出方程通過各個構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程來求解運動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 圖解法形象比較直觀機(jī)構(gòu)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計算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇解析法取點數(shù)值較少繪制曲線精度不高不經(jīng)任何計算對曲柄連桿機(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 3 復(fù)數(shù)向量法是以各個桿件作為向量把在復(fù)平面上的連接過程用復(fù)數(shù)形式加以表達(dá)對于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時間參數(shù)的解析式就時間求導(dǎo)后可以 得到機(jī)構(gòu)的運動性能該方法是機(jī)構(gòu)運動分析的較好方法 通過對機(jī)構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)分析我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運動性能運動規(guī)律等從而可以更好地對機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計但是過去由于手段的原因大部分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運動盡管能夠給出解析式卻難以計算出供工程使用的計算結(jié)果不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)隨著計算機(jī)的發(fā)展可以利用復(fù)雜的計算表達(dá)式來精確求解各種運動過程和動態(tài)過程從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計的現(xiàn)代理論和方法 13 設(shè)計研究的內(nèi)容 對內(nèi)燃機(jī)運行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析深入研究其主要的研究內(nèi)容有對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行 運動學(xué)和動力學(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)這些力對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度剛度等方面的計算和以便分析曲柄連桿機(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)的尺寸檢驗校核以符合零件實際加工的要求應(yīng)用 ProE 軟件對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實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)行運動仿真分析檢測其運動干涉獲取分析結(jié)果應(yīng)用 ProE 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現(xiàn)對機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計和檢驗 第 2 章 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算和設(shè)計以便達(dá)到機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求 21 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多按運動學(xué)觀點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 特點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作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻 3 特點內(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的大頭上形成了關(guān)節(jié)式運動所以這種機(jī)構(gòu)有時也稱為關(guān)節(jié)曲柄連 桿機(jī)構(gòu)在關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中一個曲柄可以同時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) 22 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運動學(xué) 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖 21 所示圖 21 中氣缸中心線通過曲軸中心 OOB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)時曲柄 OB 上任意點都以 O 點為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運動活塞 A