活塞
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/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
目录
摘要I
Abstract II
第1章绪论1
1.1选题的目的和意义1
1.2国内外的研究现状1
1.3设计研究的主要内容3
第2章曲柄连杆机构受力分析4
2.1曲柄连杆机构的类型及方案选择4
2.2曲柄连杆机构运动学4
2.1.1活塞位移5
2.1.2活塞的速度6
2.1.3活塞的加速度6
2.2曲柄连杆机构中的作用力7
2.2.1气缸内工质的作用力7
2.2.2机构的惯性力7
2.3本章小结14
第3章活塞组的设计15
3.1活塞的设计15
3.1.1活塞的工作条件和设计要求15
3.1.2活塞的材料16
3.1.3活塞头部的设计16
3.1.4活塞裙部的设计21
3.2活塞销的设计23
3.2.1活塞销的结构、材料23
3.2.2活塞销强度和刚度计算23
3.3活塞销座24
3.3.1活塞销座结构设计24
3.3.2验算比压力24
3.4活塞环设计及计算25
3.4.1活塞环形状及主要尺寸设计25
3.4.2活塞环强度校核25
3.5本章小结26
第4章连杆组的设计27
4.1连杆的设计27
4.1.1连杆的工作情况、设计要求和材料选用27
4.1.2连杆长度的确定27
4.1.3连杆小头的结构设计与强度、刚度计算27
4.1.4连杆杆身的结构设计与强度计算30
4.1.5连杆大头的结构设计与强度、刚度计算33
4.2连杆螺栓的设计35
4.2.1连杆螺栓的工作负荷与预紧力35
4.2.2连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算35
4.3本章小结36
第5章曲轴的设计37
5.1曲轴的结构型式和材料的选择37
5.1.1曲轴的工作条件和设计要求37
5.1.2曲轴的结构型式37
5.1.3曲轴的材料37
5.2曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计38
5.2.1曲柄销的直径和长度38
5.2.2主轴颈的直径和长度38
5.2.3曲柄39
5.2.4平衡重39
5.2.5油孔的位置和尺寸40
5.2.6曲轴两端的结构40
5.2.7曲轴的止推40
5.3曲轴的疲劳强度校核41
5.3.1作用于单元曲拐上的力和力矩41
5.3.2名义应力的计算45
5.4本章小结47
第6章曲柄连杆机构的创建48
6.1对Pro/E软件基本功能的介绍48
6.2活塞的创建48
6.2.1活塞的特点分析48
6.2.2活塞的建模思路48
6.2.3活塞的建模步骤49
6.3连杆的创建50
6.3.1连杆的特点分析50
6.3.2连杆的建模思路50
6.3.3连杆体的建模步骤51
6.3.4连杆盖的建模52
6.4曲轴的创建52
6.4.1曲轴的特点分析52
6.4.2曲轴的建模思路52
6.4.3曲轴的建模步骤53
6.5曲柄连杆机构其它零件的创建55
6.5.1活塞销的创建55
6.5.2活塞销卡环的创建55
6.5.3连杆小头衬套的创建55
6.5.4大头轴瓦的创建55
6.5.5连杆螺栓的创建56
6.6本章小结56
第7章曲柄连杆机构运动分析57
7.1活塞及连杆的装配57
7.1.1组件装配的分析与思路57
7.1.2活塞组件装配步骤57
7.1.3连杆组件的装配步骤58
7.2定义曲轴连杆的连接59
7.3定义伺服电动机60
7.4建立运动分析60
7.5进行干涉检验与视频制作61
7.6获取分析结果62
7.7对结果的分析64
7.8本章小结64
结论65
参考文献66
致谢67
附录68
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。
对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析进行深入研究，其主要的研究内容有：
（1）对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析，分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核，以便达到设计要求；
（2）分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞，曲轴，连杆等的工作条件和设计要求，进行合理选材，确定出主要的结构尺寸，并进行相应的尺寸检验校核，以符合零件实际加工的要求；
（3）应用Pro/E软件对曲柄连杆机构的零件分别建立实体模型，并将其分别组装成活塞组件，连杆组件，然后定义相应的连接关系，最后装配成完整的机构，并进行运动仿真分析，检测其运动干涉，获取分析结果；
（4）应用Pro/E软件将零件模型图转化为相应的工程图，并结合使用AutoCAD软件，系统地反应工程图上的各类信息，以便实现对机构的进一步精确设计和检验。
研究曲柄连杆机构的受力，关键在于分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计，以便达到发动机输出转矩及转速的要求。
2.1曲柄连杆机构的类型及方案选择
内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多，按运动学观点可分为三类，即:中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。
1、中心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机，以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。
2、偏心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e。这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力，使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。
3、主副连杆式曲柄连杆机构
其特点是内燃机的一列气缸用主连杆，其它各列气缸则用副连杆，这些连杆的下端不是直接接在曲柄销上，而是通过副连杆销装在主连杆的大头上，形成了“关节式”运动，所以这种机构有时也称为“关节曲柄连杆机构”。在关节曲柄连杆机构中，一个曲柄可以同时带动几套副连杆和活塞，这种结构可使内燃机长度缩短，结构紧凑，广泛的应用于大功率的坦克和机车用V形内燃机[8]。
经过比较，本设计的型式选择为中心曲柄连杆机构。
2.2曲柄连杆机构运动学
中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示，图2.1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为连杆小头孔中心或活塞销中心。
当曲柄按等角速度旋转时，曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动，活塞A点沿气缸中心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动，其大头B点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。在实际分析中，为使问题简单化，一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究[9]。
活塞做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。
2.1.1活塞位移
假设在某一时刻，曲柄转角为，并按顺时针方向旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为，如图2.1所示。
当=时，活塞销中心A在最上面的位置A1，此位置称为上止点。当=180时，A点在最下面的位置A2，此位置称为下止点。
机构
连杆
曲轴
