发动机曲柄连杆机构的设计毕业论文

I摘要以桑塔纳 2000AJR 型发动机为例，基于相关参数对发动机曲柄连杆机构主要零部件进行结构设计计算，同时进行强度、刚度等方面的校核，并进行相关运动学分析和机构运动仿真分析，以达到良好的生产经济效益。目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多，而且已经完善和成熟，但仍缺乏一种基于良好生产效益、经济效益上的综合性分析，本次设计在清晰、全面剖析的基础上，有机地将各研究模块联系起来，达到既简便又清晰的设计目的，力求为发动机曲柄连杆机构的设计提供一种综合全面的思路。分析研究的主要模块分为以下三个部分：第一，对发动机曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析，着重分析活塞的位移、速度、加速度以及工质的作用力和机构的惯性力；第二，进行曲柄连杆机构活塞组、连杆组以及曲轴的结构设计，并对其强度和刚度进行校核；第三，应用ProEngineer 建立曲柄连杆机构主要零部件的几何模型，并利用Pro/Mechanism 进行机构仿真。关键词：发动机；曲柄连杆机构；受力分析；运动学分析；机构仿真IIABSTRACTIn Santana 2000AJR engine, for example, based on the relevant parameters of the engine crank main components for structural design calculations, at the same strength, stiffness and other aspects of the check, and associated institutions kinematic analysis and motion simulation analysis, in order to achieve good production cost.At home and abroad on the engine crank dynamics analysis in many ways, and has been perfect and mature, but still lacks a well-based production and economic benefits on a comprehensive analysis of this design in a clear and comprehensive analysis of the based on organically linked to each research module, to achieve both simple and clear design purpose, and strive to provide the engine crank linkage is designed to provide a holistic and comprehensive way of thinking.Analysis of the main module is divided into the following three parts: first, the engine crank kinematic and dynamic analysis, focusing on analysis of piston displacement, velocity, acceleration, as well as the working fluid inertia forces and institutions; Second, the group performed crank piston, connecting rod and crankshaft design group, and its strength and rigidity to be checked; Third, the application of Pro / Engineer to establish the main components crank geometric model and the use of Pro / Mechanism institutional emulation.Keywords: engine; crank linkage; stress analysis; kinematic analysis; mechanism simulation; III目录摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 国内外发展现状 .11.2 研究的目的及意义 .31.3 研究的主要内容 .32 总体方案的设计 .52.1 原始参数的选定 .52.2 原理性方案设计 .62.3 结构性方案设计 .72.4 设计方案的确定 .83 曲柄连杆机构受力分析 .103.1 曲柄连杆机构运动学 .103.2 曲柄连杆机构中的作用力 .124 活塞、连杆组的设计 .224.1 活塞的设计 .224.2 活塞销的设计 .334.3 活塞销座 .344.4 活塞环设计及计算 .354.5 连杆的设计 .374.6 连杆螺栓的设计 .475 曲轴的设计 .495.1 曲轴的结构型式和材料的选择 .495.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 .505.3 曲轴的疲劳强度校核 .546 曲柄连杆机构的创建 .626.1 活塞的创建 .626.2 连杆的创建 .65IV6.3 曲轴的创建 .686.4 曲柄连杆机构其它零件的创建 .717 曲柄连杆机构运动分析 .737.1 活塞及连杆的装配 .747.2 定义曲轴连杆的连接 .767.3 定义伺服电动机 .787.4 建立运动分析 .787.5 进行干涉检验与视频制作 .797.6 获取分析结果 .817.7 对结果的分析 .83经济可行性分析 .84总结 .85参考文献 .87致谢 .89附录 .9011 绪论1.1 国内外发展现状目前，应用最广、数量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机多用于轿车和轻型客货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。少数轿车和轻型客货车发动机也有用柴油机的。还有一种知名度很高，但应用很少的发动机，即三角活塞旋转式发动机，也叫转子式发动机。发动机曲柄连杆机构无论在国内还是在国外三大组成部分还是没有变，现在还是应用于内燃机领域，曲柄连杆机构从数量方面来说，会朝着多连杆机构方向发展；从材料方面看，车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。至于新的发展趋势，曲轴应该是材料方面的改进，比如碳材质的，高速、高效加工在曲轴制造业已有相当程度的应用，并成为主要发展方向，相信曲轴制造技术在将来会有更新、更快的发展。从汽车发动机连杆的发展趋向可看出：（1）就连杆的使用性能与生产成本来看，C 7 0 钢锤锻连杆和铁基粉末锻造连杆已日趋接近，市场竞争将白热化。（2）温压连杆的生产成本最低，至于使用性能汽车制造厂家能否接受尚待观察。毫无疑问，温压连杆一旦得到汽车制造厂家认可，将很快进入市场。（3）铝基粉末锻造连杆若开发成功，一定会对汽车发动机的设计产生重大冲击，值得关注。（4）从连杆的生产开展历程可看出，粉末冶金零件的开发与应用，和汽车制造业所追求的轻量化、改进零件性能、降低生产成本、保护环境等目标息息相关。因此，汽车制造业对粉末冶金零件的生产与发展应给予足够重视。从研究方向来看，目前国内外对发动机曲柄连杆机构的动力学分析的方法很多，而且已经完善和成熟，其中机构运动学分析是研究两个或两个2以上物体间的相对运动，即位移、速度和加速度的变化关系，动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括气体力、惯性力、轴承力和曲轴转矩等的分析，传统的内燃机工作机构动力学、运动学分析方法主要有图解法和解析法。1、解析法解析法是对构件逐个列出方程，通过各个构件之间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩，解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。2、图解法图解法形象比较直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改变趋势均能通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算机结果的判断和选择。解析法取点数值较少，绘制曲线精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解其速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂。 3、复数向量法复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能。该方法是机构运动分析的较好方法。通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。纵观世界汽车产品技术的发展态势，汽车发动机技术正以优异的性能，3更好的经济性和动力性为方向得到日益广泛的重视和发展。进一步提高发动机的环保与节能将成为发动机发展的方向。1.2 研究的目的及意义曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。在作功冲程中，燃料燃烧产生的高温高压燃气推动活塞向下运动，活塞通过连杆带动曲轴作旋转运动，从而将燃料燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能而对外输出动力；在其它冲程中，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。 （1）机体组：气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳、曲轴箱、汽缸套；（2）活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆；（3）曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡轴。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。1.3 研究的主要内容以桑塔纳 2000AJR 型发动机为例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：4（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。 52 总体方案的设计2.1 原始参数的选定表 1 桑塔纳 2000AJR 型发动机主要性能参数气缸排列方式 直列四缸供油方式 电控燃油喷射排量/L 1.781缸径/mm 81.0冲程（行程）/mm 86.4冲程/缸径 1.0666连杆长/mm 144曲轴半径/mm 43.2转矩 N.m/r/min 150/1300曲轴轴承座 5压缩比 9.3额定功率/kW 74(5200 r/min)最大扭矩 /(Nm) 155(3800 r/min)点火顺序 13426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2.2 原理性方案设计曲柄连杆机构是发动机中的动力传递系统，是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。由机体组:气缸体、气缸盖、曲轴箱体、气缸套、气缸垫；活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆大头盖；曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、曲轴正时齿轮三大部分组成。工作原理就是：燃料燃烧后的能量推动活塞上下运动，再由连杆带动曲轴作圆周运动。为了吸入新鲜空气和排除废气，设有进、排气系统等。活塞往复运动时，其顶面从一个方向转为相反方向的转变点的位置称为止点。活塞顶面离曲轴中心线最远时的止点，称为上止点，活塞顶面离曲轴中心线最近时的止点称为下止点，活