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1、摘要本文以捷达EA113汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。再次，应用三维CAD软件：Pro/Engineer建立了曲柄连杆机构各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用Pro/E软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后利用Pro/
2、E软件的机构分析模块(Pro/Mechanism)，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟，研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基本一致，文章介绍的仿真方法为曲柄连杆机构的选型、优化设计提供了一种新思路。关键词：发动机；曲柄连杆机构；受力分析；仿真建模；运动分析；Pro/E ABSTRACTThis article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engines related parameter achiev
3、ement, it has carried on the structural design compution 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 computer in kinematics and dynamics for the crank link mechanKey words: Engine；Crankshaft
4、-Connecting Rod Mechanism；Analysis of Force；Modeling of Simulation；Movement Analysis；Pro/E目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 国内外的研究现状11.3 设计研究的主要内容错误！未定义书签。第2章 曲柄连杆机构受力分析错误！未定义书签。2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择错误！未定义书签。2.2 曲柄连杆机构运动学错误！未定义书签。2.1.1 活塞位移错误！未定义书签。2.1.2 活塞的速度错误！未定义书签。2.1.3 活塞的加速度错误！未定义书签。2.2 曲柄连杆
5、机构中的作用力错误！未定义书签。2.2.1 气缸内工质的作用力错误！未定义书签。2.2.2 机构的惯性力错误！未定义书签。2.3 本章小结错误！未定义书签。第3章 活塞组的设计错误！未定义书签。3.1 活塞的设计错误！未定义书签。3.1.1 活塞的工作条件和设计要求错误！未定义书签。3.1.2 活塞的材料错误！未定义书签。3.1.3 活塞头部的设计错误！未定义书签。3.1.4 活塞裙部的设计错误！未定义书签。3.2 活塞销的设计错误！未定义书签。3.2.1 活塞销的结构、材料错误！未定义书签。3.2.2 活塞销强度和刚度计算错误！未定义书签。3.3 活塞销座错误！未定义书签。3.3.1 活塞销
6、座结构设计错误！未定义书签。3.3.2 验算比压力错误！未定义书签。3.4 活塞环设计及计算错误！未定义书签。3.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计错误！未定义书签。3.4.2 活塞环强度校核错误！未定义书签。3.5 本章小结错误！未定义书签。第4章 连杆组的设计错误！未定义书签。4.1 连杆的设计错误！未定义书签。4.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用错误！未定义书签。4.1.2 连杆长度的确定错误！未定义书签。4.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算错误！未定义书签。4.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算错误！未定义书签。4.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算错误！未
7、定义书签。4.2 连杆螺栓的设计错误！未定义书签。4.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力错误！未定义书签。4.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算错误！未定义书签。4.3 本章小结错误！未定义书签。第5章 曲轴的设计错误！未定义书签。5.1 曲轴的结构型式和材料的选择错误！未定义书签。5.1.1 曲轴的工作条件和设计要求错误！未定义书签。5.1.2 曲轴的结构型式错误！未定义书签。5.1.3 曲轴的材料错误！未定义书签。5.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计错误！未定义书签。5.2.1 曲柄销的直径和长度错误！未定义书签。5.2.2 主轴颈的直径和长度错误！未定义书签。5.2.3 曲柄
8、错误！未定义书签。5.2.4 平衡重错误！未定义书签。5.2.5 油孔的位置和尺寸错误！未定义书签。5.2.6 曲轴两端的结构错误！未定义书签。5.2.7 曲轴的止推错误！未定义书签。5.3 曲轴的疲劳强度校核错误！未定义书签。5.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩错误！未定义书签。5.3.2 名义应力的计算错误！未定义书签。5.4 本章小结错误！未定义书签。第6章 曲柄连杆机构的创建错误！未定义书签。6.1 对Pro/E软件基本功能的介绍错误！未定义书签。6.2 活塞的创建错误！未定义书签。6.2.1 活塞的特点分析错误！未定义书签。6.2.2 活塞的建模思路错误！未定义书签。6.2.3 活
9、塞的建模步骤错误！未定义书签。6.3 连杆的创建错误！未定义书签。6.3.1 连杆的特点分析错误！未定义书签。6.3.2 连杆的建模思路错误！未定义书签。6.3.3 连杆体的建模步骤错误！未定义书签。6.3.4 连杆盖的建模错误！未定义书签。6.4 曲轴的创建错误！未定义书签。6.4.1 曲轴的特点分析错误！未定义书签。6.4.2 曲轴的建模思路错误！未定义书签。6.4.3 曲轴的建模步骤错误！未定义书签。6.5 曲柄连杆机构其它零件的创建错误！未定义书签。6.5.1 活塞销的创建错误！未定义书签。6.5.2 活塞销卡环的创建错误！未定义书签。6.5.3 连杆小头衬套的创建错误！未定义书签。6
10、.5.4 大头轴瓦的创建错误！未定义书签。6.5.5 连杆螺栓的创建错误！未定义书签。6.6 本章小结错误！未定义书签。第7章 曲柄连杆机构运动分析错误！未定义书签。7.1 活塞及连杆的装配错误！未定义书签。7.1.1 组件装配的分析与思路错误！未定义书签。7.1.2 活塞组件装配步骤错误！未定义书签。7.1.3 连杆组件的装配步骤错误！未定义书签。7.2 定义曲轴连杆的连接错误！未定义书签。7.3 定义伺服电动机错误！未定义书签。7.4 建立运动分析错误！未定义书签。7.5 进行干涉检验与视频制作错误！未定义书签。7.6 获取分析结果错误！未定义书签。7.7 对结果的分析17.8 本章小结1
11、结论1参考文献1致谢1附录1第1章 绪论1.1 选题的目的和意义曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构，通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动而输出动力。因此，曲柄连杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题1。通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。在传统的设计模式中，为了
12、满足设计的需要须进行大量的数值计算，同时为了满足产品的使用性能，须进行强度、刚度、稳定性及可靠性等方面的设计和校核计算，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。1.2 国内外的研究现状 7.7 对结果的分析在模拟分析中，分
13、别对活塞组、连杆组和曲轴进行运动包络和运动干涉检查。通过运动包络确定曲柄连杆运动所需要的空间范围，通过运动干涉来检查曲柄连杆机构各运动部件之间是否发生干涉。在分析时，设定曲轴的转速为150 rad/s，仿真时间为10秒，开始仿真。曲线图反映了一载荷周期内气缸内活塞的速度及加速度的变化情况，由曲线图可以发现，活塞运动位于上止点时的加速度最大，且与速度的方向相反，活塞在该位置所受到的阻力最大。7.8 本章小结本章主要完成了曲柄连杆机构的装配连接，并分析了机构的运动情况，在进行运动分析的过程中，新建组件并建立运动连接，定义特殊的运动副，如活塞和连杆组件，然后添加伺服电动机驱动，设置伺服电动机参数，设
14、定运动分析条件，运行分析，将结果回放与制作视频，创建运动包络，获取分析结果，绘制加速度与时间曲线图。结论在完成整个设计过程后，总结了以下结论：（1）首先经过几种方案的比较，最终确定了设计方案，本设计以捷达EA113汽油机作为参照，确定了相关参数，以便进行下一步的设计计算。（2）以传统运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的受力进行了系统的分析，并以此作为零件强度、刚度和和磨损等问题的依据。在此基础上，又进行了动力学方面的理论分析，重点分析了活塞的运动规律。（3）对曲柄连杆机构的主要零部件曲轴、活塞、连杆以及机构的其它零件如螺栓等进行了主要结构参数的设计计算，并通过校核检验尺寸选取的是否
15、合适。分析了零部件的工作条件，总结应满足的设计要求，合理选择材料，以满足强度和刚度的校核。（4）应用三维CAD软件Pro/ENGINEER建立了曲柄连杆机构各零部件的多刚体动力学分析模型，当模型建立完成后，运用Pro/E软件完成曲柄连杆机构的装配，为下一步仿真运动分析做好了准备。（5）运用Pro/E软件的Mechanism分析模块模拟研究了曲柄连杆机构的运动学和动力学特性，设定曲轴的转速150 rad/s，仿真时间为 10秒，开始仿真。以活塞为例，得出了速度和加速度随时间变化的特性曲线，反应了一载荷周期内气缸内活塞的速度及加速度的变化情况，由曲线图可以发现，活塞运动位于上止点时的加速度最大，且
16、与速度的方向相反，活塞在该位置所受到的阻力最大。在运动模拟分析中，分别对活塞组、连杆组和曲轴进行运动包络和运动干涉检查。通过运动包络可以确定曲柄连杆运动所需要的空间范围，通过运动干涉来检查曲柄连杆机构各运动部件之间是否发生干涉。通过分析得出，模拟分析对机构的工作过程和干涉检查更加形象直观，也更加方便。应用该方法，不需要建立曲柄连杆机构的数学模型，也不需要编写相应得分析计算程序，只需将曲柄连杆机构的实体模型直接导入到分析软件中，并进行适当的定义，即可对所需要的运动学、动力学参数进行分析和优化，既节省了时间又提高了效率。通过仿真能方便、快捷、准确的得到机构的运动、动力数据，可以观察对机构运动、受力
17、的不同影响,能为机构的选型、优化设计提供参考依据。毕业设计虽已完成了，但由于实际经验缺乏，知识水平的局限，加上时间较仓促，设计中还存在很多不足之处，有许多地方还需要改进，在此感谢老师的批评指导。参考文献1叶 奇发动机曲柄连杆机构多体动力学建模的若干问题J机电工程，2007122ZHENG-DONG MA，NOELC PERKINS An Efficient Multi-body Dynamics Model for Internal Combustion Engine SystemsMulti-body System Dynamics，200393ZPMourelatos，Efficient
18、Crankshaft Dynamic Analysis Using Substructure with Ritz VectorsJournal of Sound and Vibration，200234尤小梅发动机曲轴动力学仿真研究J沈阳工业学院学报，200445樊文欣高速汽油机曲轴动态特性研究J测试技术学报，199716王云霞单缸内燃机曲柄连杆机构动力学的计算机模拟研究D南京农业硕士论文，200167郝宝林发动机曲柄连杆机构建模与仿真J哈尔滨工业大学学报，200668高秀华内燃机M北京：化学工业出版社，200599杨连生内燃机设计M北京：中国农业机械出版社，1980610汽车工程手册编委会汽
19、车工程手册：设计篇M北京：人民交通出版社，2001511陈家瑞汽车构造M北京：人民交通出版社，2002412臧 杰汽车构造：上册M北京：机械工业出版社，20057 13束永平汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析J东华大学学报，20051214周松鹤工程力学（教程篇）M北京：机械工业出版社2003215石津俊发动机曲轴弯曲疲劳强度的可靠性分析J武汉工学院学报，2005716王东华曲轴强度计算若干问题的探讨J天津大学学报，2002317施兴之连续梁计算计算曲轴应力的研究J内燃机学报，2001218郝志勇多缸机曲轴连续梁计算法的改进J内燃机学报，2002419吴楠内燃机曲柄连杆机构的多体动力学仿真DMS
20、C.software中国用户论文集，2004720吴 宏计算机仿真技术在内燃机研究中的应用J合肥工业大学学报，2003621王 霄Pro/Engineer Wildfire 3.0高级设计实例教程M北京：化学工业出版社，2007522詹友刚Pro/E野火版3.0机械设计教程M北京：机械工业出版社，2007123夏 天捷达王与都市先锋轿车维修手册M北京：北京理工大学出版社，200110致谢 在本文完成之际，首先向我最尊敬的导师纪峻岭老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢。几个月以来，她不遗余力地对我的设计进行了指导。在我毕业设计这段时间，无论是在学习还是在生活上，恩师都给予了我无微不至的关怀，同时还
21、要感谢朱荣福老师。他们以其渊博的知识，宽厚的胸怀、无私的敬业精神以及严谨的治学态度和开拓进取的精神激励着我，并言传身教，身体力行地不断培养我独立思考，深入探索，解决实际问题的能力，使我受益匪浅。本设计之能完成，纪峻岭老师给与了关键性的技术指导，并指明了研究的方向，朱老师虽然平日里工作繁多，但在我做毕业设计的过程中，特别在说明书的撰写和修改上给予了我悉心的指导，特此向两位老师表示衷心的感谢和敬意!此外还要感谢那些给予过我关心、帮助的老师和同学，正是有了大家的关怀、鼓力和我自己的努力，此设计才得以顺利完成。同时还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下良好的汽车专业知识的基础；为我们以后的工作实践做
22、好了铺垫。毕业设计虽已完成了，但由于知识水平的局限，实际经验缺乏，设计还存在许多不足，有很多地方需要改进。对于这些不足，我会在今后的工作、生活中努力去改正，并利用自已所学到的知识，为社会作更多的贡献，成为一个对社会有用的人。最后预祝黑龙江工程学院发展越来越好，前程似锦！附录表1 捷达发动机主要性能参数23气缸排列方式直列四缸供油方式多点喷射排量/L1.6缸径/mm81冲程/mm77.4冲程/缸径0.9555连杆长/mm149缸体高/mm220缸心距/mm88曲轴轴承座5压缩比9.3额定功率/kW74(5800 r/min)最大扭矩/(Nm)150(3800 r/min)升功率/(kWL-1)46.25升扭矩/(NmL-1)93.75点火顺序1342表2 四缸机工作循环表曲轴转角（）第一缸第二缸第三缸第四缸0180做功排气压缩进气180360排气进气做功压缩360540进气压缩排气做功540720压缩做功进气排气
