【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計（論文）-捷達(dá)EA113四缸汽油機(jī)的曲柄連桿。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。析首先以運(yùn)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(yùn)動規(guī)律以及在。運(yùn)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。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(yùn)動規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)。構(gòu)的運(yùn)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。11選題的目的和意義1. 12國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1. 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)中的作用力7. 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力7. 活塞銷強(qiáng)度和剛度計算23. 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計25. 連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力35. 主軸頸的直徑和長度38. 作用于單元曲拐上的力和力矩41

　　

【正文】 自由端驅(qū)動這是應(yīng)為曲軸自由端的軸頸允許較細(xì)可以采用節(jié)圓直徑小的齒輪消除扭轉(zhuǎn)振動的減振器裝在曲軸前端因為這里的振幅最大 在曲軸自由端從曲軸箱伸出去額地方必須考慮密封一方面防止曲軸箱中的機(jī)油由這里漏出去另一方面也防止外面的塵土等進(jìn)入密封是用甩油環(huán)和密封裝置所組成密封裝置可以是密封圈也可以 是螺紋迷宮槽所謂迷宮槽是在軸上或在曲軸箱的對應(yīng)孔壁上制出螺紋螺紋的螺旋方向與軸的螺旋方向相反當(dāng)機(jī)油漏入軸與孔之間的間隙中時依靠機(jī)油的粘性和螺紋把機(jī)油像個螺母一樣地退了回去不使它漏出機(jī)體外 曲軸后端功率輸出端設(shè)有法蘭飛輪與后端用螺栓和定位銷連接螺栓應(yīng)擰得足夠緊以便能夠依靠飛輪與法蘭之間的摩擦力矩傳輸出曲軸的最大轉(zhuǎn)矩定位銷用來保證重裝飛輪時保持飛輪與曲軸的裝配位置故定位銷的布置是不對稱的或只有一個這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單工作可靠為了提高曲軸的扭轉(zhuǎn)剛度從最后一道主軸承到飛輪法蘭這一軸段應(yīng)該盡量粗短 曲軸的止推 曲軸由于受熱膨脹而伸長或受斜齒輪即離合器等的軸向力會產(chǎn)生軸向移動為了曲軸只從降低曲軸和機(jī)體加工尺寸鏈精度要求出發(fā)止推軸承設(shè)在中間主軸承的兩邊在設(shè)曲軸軸向間隙應(yīng)保持其它各主軸承端面間隙應(yīng)保證曲軸受熱伸長時能自由延伸 53 曲軸的疲勞強(qiáng)度校核 由于曲軸工作時承受交變載荷它的破壞往往都由疲勞產(chǎn)生因此需要進(jìn)行疲勞驗算由于實際的曲軸是一個多支承的靜不定系統(tǒng)理論上應(yīng)按照連續(xù)梁的概念來求解支承彎矩和支反力因為它考慮了支承的彈性安裝不同心度以及支座彎矩等因素對曲軸應(yīng)力的影響 連續(xù)梁計算方法為把曲軸簡化為支承在剛性支承上的 圓柱形連續(xù)直梁根據(jù)連續(xù)梁支承處偏轉(zhuǎn)角相等的變形協(xié)調(diào)條件推導(dǎo)出各支承偏轉(zhuǎn)角變化總和為零的連續(xù)方程這種方法在各單位曲拐長度相等的情況下認(rèn)為它們的剛度相等免去繁雜的曲拐剛度計算同時又由于不考慮支座彈性等得到三彎矩方程借助三彎矩方程進(jìn)行計算得各支承處在曲拐平面和曲拐平面的垂直面內(nèi)的彎矩然后把第支承和第支承點處的主軸頸截面的彎矩曲拐平面內(nèi)曲拐平面的垂直面內(nèi)和作為載荷加到圖 52 中的曲拐受力模型上再根據(jù)此新模型確定各支反力各危險截面的內(nèi)力矩進(jìn)而計算各名義應(yīng)力 作用于單元曲拐上的力和力矩 1 計算公式及其推導(dǎo) 如圖 52 所示把曲軸簡化為等圓截面梁且由于假設(shè)各軸頸按等高度剛性點支承即不考慮支座彈性及加工形成的不同軸度以集中方式加載且各拐集中力作用在各曲柄銷中央平衡重離心力作用在平衡塊寬度中為了保持轉(zhuǎn)換前后的一致需在鉸鏈處作用彎矩再根據(jù)支承二端轉(zhuǎn)角相等的變形協(xié)調(diào)條件保證各中間支承的連續(xù)性由材料力學(xué)知在支承處左端梁轉(zhuǎn)角和右端梁轉(zhuǎn)角為若 51 52 由變形協(xié)調(diào)條件 圖 52 連續(xù)梁受力圖 又因為所以 53 設(shè)第一支承和最后一個支承 處的彎矩為零即 上式中包含三個支承處的內(nèi)彎矩故稱三彎矩方程連續(xù)梁有多少個內(nèi)支承就可以建立多少各這樣的三彎矩方程以此可求出支承處的內(nèi)彎矩 2 曲拐平面內(nèi)支承彎矩計算 已知 28251118082 8927 當(dāng) 2 3 4 時由式 53 得三彎矩方程組 54 54根據(jù)表 22四缸機(jī)工作循環(huán)表 將分別代入方程組得工況下各支承處的彎矩表 52 同理根據(jù)表 53 各工況下載荷計算曲拐平面的垂直平面內(nèi)彎矩計算結(jié)果表54 表 51 各工況下載荷數(shù)據(jù) 單位 工況 一 34696 799761 612288 1027686 二 799761 1027686 34696 612288 三 1027686 612288 799761 34696 四 612288 34696 1027686 799761 表 52 各工況下曲拐平面內(nèi)彎矩計算結(jié)果 單位 工況 一 545 13387 二 842 7589 三 四 25 9332 表 53 各工況下載荷數(shù)據(jù) 單位 工況 一 236596 181136 30424 二 236596 181136 三 181136 236596 102417 四 181136 236596 表54 曲拐平面的垂直平面內(nèi)彎矩計算結(jié)果 單位 工況 一 13 3971 二 415 1639 三 3971 13 四 1639 415 3 支反力計算 求得各支承彎矩后就可用圖 53 所示的模型來計算各個支座的支反力 圖 53 支反力計算模型得到支反力表達(dá)式如下 55 56 式中作用在曲柄銷上的 徑向力 作用在曲柄銷上的切向力 連桿旋轉(zhuǎn)質(zhì)量曲柄銷曲柄臂的總的離心慣性力 已知由公式 5556 計算得到各個支座反力其值如表 55 表 56 所示 表 55 各工況下曲拐平面內(nèi)支座反力計算結(jié)果 單位 工況 一 53535 40119 859957 34619 二 53681 三 四 53738 34619 表 56 各工況下曲拐平面的垂直平面內(nèi)支座反力計算結(jié)果 單位 工況 一 118252 90546 15199 0 二 118297 9055 0 三 90546 118252 5121 0 四 9055 118293 0 可見各支座在曲拐平面內(nèi)的值比曲拐平面的垂直面內(nèi)的值大得多 名義應(yīng)力的計算 應(yīng)力計算的任務(wù)是求出曲拐上曲柄銷圓角處的名義應(yīng)力幅和名義應(yīng)力的平均值由于疲勞破壞總是發(fā)生在曲柄臂截面上扭轉(zhuǎn)疲勞破壞總是發(fā)生在軸頸上因此彎曲和扭轉(zhuǎn)時的名義應(yīng)力應(yīng)分別取為曲柄臂中央截面和曲柄銷軸頸橫截面上的彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力一般情況四缸機(jī)是在第二三缸受到最大爆發(fā)壓力作用時曲軸所受的應(yīng)力最大現(xiàn)選擇對第三缸 曲拐進(jìn)行名義應(yīng)力計算 曲軸材料 QT9002 極限強(qiáng)度對稱循環(huán)彎曲疲勞極限對稱循環(huán)扭轉(zhuǎn)疲勞極限單拐計算模型見圖 54 圖 54 單拐計算模型 1 彎曲應(yīng)力 最大支反力對應(yīng)的支承彎矩最小支反力對應(yīng)的支承彎矩然后計算曲拐平面內(nèi)曲柄臂中央處彎矩彎矩最大值為 57 彎矩最小值為 58 曲柄臂抗彎截面模量為 59 圓角名義彎曲應(yīng)力為 510 511 最后得到圓角彎曲應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為 512 513 2 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 首先由表 54和表 56可知單拐扭矩對應(yīng)的曲拐垂直平面內(nèi)支反力對應(yīng)的曲拐垂直平面內(nèi)支反力 然后計算圓角承受的扭矩 514 515 曲柄銷抗扭截面系數(shù)為 516 圓角名義切應(yīng)力為 517 518 最后得 519 520 計算結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值則校核合格 54 本章小結(jié) 本章首先分析了曲軸的工作條件和設(shè)計要求在合理選擇材料的基礎(chǔ)上對曲軸的各個部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計并進(jìn)行有關(guān)的尺寸校核使其符合實際加工的要求還對曲軸的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計如油孔的位置以及曲軸的軸向定位等問題給予了合理的解釋最后對曲軸進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度校核 第章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 61 對 ProE 軟件基本功能的介紹 ProE 軟件是美國 PTC 公司推出的大型 CADCAMCAE 一體化軟件無論是造型設(shè)計工程出圖以及 3D裝配等方面 ProE都具有操作容易使用方便可動態(tài)修改的特點 ProE 更是以其基于特征的參數(shù)化設(shè)計 單一數(shù)據(jù)庫下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世另外還具有模具設(shè)計動態(tài)靜態(tài)干涉檢查計算質(zhì)量特征如質(zhì)心慣性矩等功能模塊用 ProE 創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型不但可以在屏幕上自由的翻轉(zhuǎn)動態(tài)觀察結(jié)構(gòu)形體更可以進(jìn)行方便的動態(tài)修改和調(diào)整進(jìn)行力學(xué)分析運(yùn)動分析數(shù)控加工等 62 活塞的創(chuàng)建 61 活塞的特點分析 活塞是在高溫高壓高腐蝕的條件下在汽缸內(nèi)做高速往復(fù)直線運(yùn)動的要適應(yīng)這樣惡劣的工作條件必須具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu) 1 活塞頂部外表面設(shè)計成凹面形以利于燃燒室內(nèi)的氣體形成渦流使燃料與空氣混合得更均勻燃燒得更充分 2 在活塞的頭部有三道環(huán)形槽上邊 兩道環(huán)形槽為氣環(huán)槽下邊一條為油環(huán)槽 3 活塞的裙部在活塞做直線往復(fù)運(yùn)動時起導(dǎo)向作用裙部頂端有兩個往里凸起的銷座 4 活塞裙部的軸截面應(yīng)制成鼓形活塞裙部的橫截面應(yīng)制成橢圓形由于橢圓的長軸與短軸之間相差極小所以建模時以圓形代替 62 活塞的建模思路 1 為了快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建活塞模型先抽取活塞模型中的對稱部分由列表曲線創(chuàng)建活塞的 14 輪廓 2 鏡像生成活塞的整個輪廓 3 創(chuàng)建活塞的頂部凹槽特征 4 創(chuàng)建活塞頭部的氣環(huán)槽和油環(huán)槽 5 創(chuàng)建各部分的倒圓角 63 活塞的建模步驟 1 創(chuàng)建活塞 14 輪廓 1 運(yùn)用偏移坐標(biāo)系基準(zhǔn)點工具選取基準(zhǔn)坐標(biāo) 系完成活塞輪廓點的創(chuàng)建 2 運(yùn)用插入基準(zhǔn)曲線將上一步創(chuàng)建的點連成曲線 3 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具選擇旋轉(zhuǎn)角度為 90 完成結(jié)果如圖 61 所示 2 創(chuàng)建活塞銷孔 1 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具選擇去除材料創(chuàng)建剪切特征 2 運(yùn)用拉伸工具創(chuàng)建銷座模型并拉伸出通孔 3 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具選擇去除材料創(chuàng)建活塞銷卡環(huán)槽 4 運(yùn)用拉伸工具拉伸方式為通孔選擇去除材料創(chuàng)建裙部特征結(jié)果如圖 62 所示 圖 61 創(chuàng)建的活塞 14 輪廓 圖 62 拉伸切除結(jié)果 3 創(chuàng)建凸臺 1 新建基準(zhǔn)平面并設(shè)置間距 2 選取草繪平面運(yùn)用拉伸工具拉伸方式為至曲面生成凸臺 3 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具選擇 去除材料旋轉(zhuǎn)切除截面創(chuàng)建裙部凹面特征 4 對生成的活塞銷孔邊和凸臺邊分別進(jìn)行倒圓角 5 運(yùn)用孔工具創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)孔選擇螺紋類型為 M61 并添加攻絲和埋頭孔 4 鏡像生成整個活塞 1 在模型樹中選取整個模型然后運(yùn)用鏡像工具鏡像生成 12 活塞結(jié)果如圖 63所示 2 再選取整個模型再次鏡像生成完整的活塞 5 創(chuàng)建頂部凹槽 運(yùn)用拉伸工具拉伸方式為盲孔選擇去除材料生成頂部凹槽 6 創(chuàng)建頭部氣環(huán)槽和油環(huán)槽 1 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具去除材料旋轉(zhuǎn)角度為 360 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)剪切特征 2 選擇陣列工具對上一步創(chuàng)建的特征進(jìn)行再生生成一些活塞環(huán)槽護(hù)圈 3 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具去除 材料創(chuàng)建氣環(huán)槽和油環(huán)槽結(jié)果如圖 64 所示 7 創(chuàng)建油孔 1 新建基準(zhǔn)平面設(shè)置間距 2 運(yùn)用掃描切口命令掃描軌跡選取草繪平面選擇自由端點完成一個油孔掃描 3 選擇陣列工具修改陣列尺寸完成 12 活塞的油孔創(chuàng)建再通過鏡像完成整個活塞油孔創(chuàng)建 8 創(chuàng)建各處倒圓角 圖 63 創(chuàng)建鏡像特征 圖 64 旋轉(zhuǎn)切除結(jié)果 連桿的創(chuàng)建 連桿的特點分析 1 連桿有兩個互相垂直的對稱面一個對稱面平行于連桿的圓環(huán)形端面也就是鍛造連桿毛坯的模具分型面另一個對稱面則通過兩端圓孔的軸線 2 連桿毛坯通過鍛 造成型因此連桿體和連桿蓋都具有模鍛斜度包括連桿體上的槽和凸臺 3 連桿體和連桿蓋屬于配做的成對零件需要同步加工在裝配和工作時沒有互換性 62 連桿的建模思路 連桿由連桿體和連桿蓋組成所以可以對連桿體和連桿蓋分別建模完成后進(jìn)行裝配連桿具有兩個互相垂直的對稱面建模過程中可以利用兩個對稱平面對局部特征進(jìn)行鏡像和復(fù)制操作從而快速完成特征創(chuàng)建 63 連桿體的建模步驟 1 創(chuàng)建連桿體 12 桿身 運(yùn)用拉伸工具拉伸方式為盲孔拉伸為實體如圖 65 所示 圖 65 拉伸創(chuàng)建連桿體 12 桿身 圖 66 連桿大小端拉伸特征 2 創(chuàng)建連桿體大 小頭 運(yùn)用拉伸工具分別創(chuàng)建連桿大小頭特征如圖 66 所示 3 創(chuàng)建連桿體兩側(cè)凸臺 1 選取草繪平面運(yùn)用拉伸工具生成一側(cè)凸臺 2 運(yùn)用拉伸工具細(xì)化凸臺特征運(yùn)用鏡像工具生成連桿另一側(cè)凸臺然后對兩條拉伸邊依次進(jìn)行倒圓角命令 4 創(chuàng)建連桿體拔模特征 運(yùn)用拔模工具設(shè)置拔模曲面和拔模樞軸完成曲面拔模特征如圖 67 所示 圖 67 曲面拔模設(shè)置 圖 68 完成曲面拔模特征 5 創(chuàng)建連桿體凹槽 運(yùn)用拉伸工具創(chuàng)建連桿體凹槽輪廓再運(yùn)用拔模工具完成曲面拔模特征并參照上述步驟完成槽的另一側(cè)拔模結(jié)果如圖 68 所示 6 鏡像生成完整連桿體特征 運(yùn)用鏡像工具選擇所有特征生成完整的連桿體特征 7 創(chuàng)建兩側(cè)凸臺螺紋孔 運(yùn)用孔工具依次選取主次參照面創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)孔設(shè)置通孔添加攻絲選擇全螺紋再運(yùn)用鏡像工具完成螺紋孔的創(chuàng)建 8 創(chuàng)建連桿體小頭凸臺及孔 1 新建基準(zhǔn)平面完成拉伸草繪拉伸方式為拉伸到下一個曲面 2 運(yùn)用旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)軸為內(nèi)部 CL 旋轉(zhuǎn)角度為 360 選擇除料完成小頭孔的特征創(chuàng)建 9 創(chuàng)建連桿大頭內(nèi)側(cè)凹槽 新建基準(zhǔn)平面運(yùn)用拉伸工具選擇拉伸至指定深度除料完成定位凹槽創(chuàng)建 64 連桿蓋的建模