【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 捷達(dá) EA113 四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【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(jì) 摘 要 本文捷達(dá) EA113 汽油機(jī)對(duì)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(jì)計(jì)算并對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析與計(jì)算機(jī)分析首先以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)為依據(jù)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)中的受力等問(wèn)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(duì)活塞組連桿組以及曲軸進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)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(dòng)的情況下活塞和連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1 13 設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(jì) 15 31 活塞的設(shè)計(jì) 15 活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求 15 活塞的材料 16 活塞頭部的設(shè)計(jì) 16 活塞裙部的設(shè)計(jì) 21 32 活塞銷的設(shè)計(jì) 23 活塞銷的結(jié)構(gòu)材料 23 活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算 23 33 活塞銷座 24 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 驗(yàn)算比壓力 24 34 活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算 25 活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì) 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(jì) 27 41 連桿的設(shè)計(jì) 27 連桿的工作情況設(shè)計(jì)要求和材料選用 27 連桿長(zhǎng)度的確定 27 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度剛度計(jì)算 27 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算 30 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度剛度計(jì)算 33 42 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 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(jì)算 35 43 本章小結(jié) 36 第 5 章 曲軸的設(shè)計(jì) 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(jì)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(jì) 38 曲柄銷的直徑和長(zhǎng)度 38 主軸頸的直徑和長(zhǎng)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(jì)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(duì) ProE 軟件基本功能的介紹 48 62 活塞的創(chuàng)建 48 活塞的特點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī) 60 74 建 立運(yùn)動(dòng)分析 60 75 進(jìn)行干涉檢驗(yàn)與視頻制作 61 76 獲取分析結(jié)果 62 77 對(duì)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(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)通過(guò)它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)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(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)算要 滿足校核計(jì)算要對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)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(yùn)行過(guò)程中的受力狀態(tài)便于進(jìn)行精確計(jì)算對(duì)進(jìn)一步研究機(jī)的平衡與振動(dòng)機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值 12 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)的動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)即位移速度和加速度的變化關(guān)系動(dòng)力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法 1 解析法是對(duì) 構(gòu)件逐個(gè)列出方程通過(guò)各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程來(lái)求解運(yùn)動(dòng)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(shì)均能通過(guò)圖解一目了然圖解法作為解析法的輔助手段可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇解析法取點(diǎn)數(shù)值較少繪制曲線精度不高不經(jīng)任何計(jì)算對(duì)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(gè)桿件作為向量把在復(fù)平面上的連接過(guò)程用復(fù)數(shù)形式加以表達(dá)對(duì)于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的解析式就時(shí)間求導(dǎo)后可以 得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較好方法 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(yùn)動(dòng)性能運(yùn)動(dòng)規(guī)律等從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)但是過(guò)去由于手段的原因大部分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析式卻難以計(jì)算出供工程使用的計(jì)算結(jié)果不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來(lái)精確求解各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程和動(dòng)態(tài)過(guò)程從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法 13 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容 對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析深入研究其主要的研究?jī)?nèi)容有對(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)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度剛度等方面的計(jì)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(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)際加工的要求應(yīng)用 ProE 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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn) 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(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(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) 1 特點(diǎn)是氣缸中心線通過(guò)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 2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(guò)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(shí)作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻 3 特點(diǎn)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(guò)副連桿銷裝在主連的大頭上形成了關(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)幾套副連桿和活塞這種結(jié)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) 22 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 21 所示圖 21 中氣缸中心線通過(guò)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(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