【正文】 三維建模很難實現(xiàn)。機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度，進(jìn)而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運動所需的作用力[5]。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)。近年來隨著計算機(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，從而形成了機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計的現(xiàn)代理論和方法。通過對機(jī)構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)的分析，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。 復(fù)數(shù)向量法復(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。解析法取點數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。圖解法圖解法形象比較直觀，機(jī)構(gòu)各組成部分的位移、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。發(fā)動機(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[5]。目前國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟。對內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配進(jìn)行機(jī)構(gòu)運動仿真，可校核部件運動軌跡，及時發(fā)現(xiàn)運動干涉；對部件裝配進(jìn)行動力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運動約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對設(shè)計提供指導(dǎo)和修正[2]。目前多剛體動力學(xué)模擬軟件主要有Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS等。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀多剛體動力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來的機(jī)械計算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計過程中對設(shè)計方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。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，同時要滿足校核計算，還需要對曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計過程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題[1]。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動機(jī)工作的可靠性。仿真結(jié)果的分析表明，仿真結(jié)果與發(fā)動機(jī)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(jī)構(gòu)的選型、優(yōu)化設(shè)計提供了一種新思路。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。摘　　要本文以捷達(dá)EA113汽油機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考，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)行了有關(guān)運動學(xué)和動力學(xué)的理論分析與計算機(jī)仿真分析。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。再次，應(yīng)用三維CAD軟件：Pro/Engineer建立了曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零部件的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用Pro/E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Pro/E軟件的機(jī)構(gòu)分析模塊(Pro/Mechanism)，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；仿真建模；運動分析；Pro/E ABSTRACTThis article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engine’s 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 Pro/Engineer establishing the geometry models of all kinds of parts in the crank link mechanism, then useing the Pro/E software assembling function assembles the ponents of crank link into the piston module, the connecting rod module and the crank module, then using Pro/E software mechanism analysis module (Pro/Mechanism), 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: Engine；CrankshaftConnecting Rod Mechanism；Analysis of Force；Modeling of Simulation；Movement Analysis；Pro/EII目　　錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 選題的目的和意義 1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1 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 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇 4 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 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 本章小結(jié) 14第3章 活塞組的設(shè)計 15 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 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 活塞銷座 24 活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 驗算比壓力 24 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 本章小結(jié) 26第4章 連桿組的設(shè)計 27 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 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 本章小結(jié) 36第5章 曲軸的設(shè)計 37 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 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 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 本章小結(jié) 47第6章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建 48 對Pro/E軟件基本功能的介紹 48 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 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 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 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 本章小結(jié) 56第7章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運動分析 57 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 定義曲軸連桿的連接 59 定義伺服電動機(jī) 60 建立運動分析 60 進(jìn)行干涉檢驗與視頻制作 61 獲取分析結(jié)果 62 對結(jié)果的分析 64 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 選題的目的和意義曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(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。隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。通過設(shè)計，確定發(fā)動機(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、運動學(xué)和動力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實際生產(chǎn)的需要。為了真實全面地了解機(jī)構(gòu)在實際運行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動力學(xué)仿真技術(shù)，針對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實時的，高精度的動力學(xué)響應(yīng)分析與計算，因此本研究所采用的高效、實時分析技術(shù)對提高分析精度，提高設(shè)計水平具有重要意義，而且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)一步研究發(fā)動機(jī)的平衡與振動、發(fā)動機(jī)增壓的改造等均有較為實用的應(yīng)用價值。它是利用計算機(jī)建造的模型對實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，將分析的方法用于模擬實驗，充分利用已有的基本物理原理，采用與實際物理系統(tǒng)實驗相似的研究方法，在計算機(jī)上運行仿真實驗。多剛體動力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計分析時無需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗。目前國內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運動、動力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運動、動力學(xué)性能等，為設(shè)計人員提供了基本的設(shè)計依據(jù)[34]。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。解析法 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)立線性方程組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。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。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[6]。該方法是機(jī)構(gòu)運動分析的較好方法。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運動盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻難以計算出供工程設(shè)計使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。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。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。目前，在對內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析時，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機(jī)商業(yè)軟件，如ADAMS等。因而在其仿真分析過程中對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助CAD軟件來完成，如Pro/E、UG、Solidworks等[4]。這一過程十分復(fù)雜，不僅需要對這些軟件有一定了解，還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，而且軟件使用成本也很高。 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)