汽车曲柄连杆机构设计及仿真【机械类毕业-含CAD图纸】
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机械类毕业-含CAD图纸
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目 录摘 要IIIAbstractIV1绪 论11.1选题的目的和意义11.2国内外的研究现状11.3 本文设计研究的主要内容22曲轴的设计32.1 曲轴的结构型式和材料的选择32.1.1曲轴的工作条件和设计要求32.1.2 曲轴的结构型式32.1.3 曲轴的材料42.2 曲轴的主要尺寸的确定42.2.1 曲柄销的直径和长度42.2.2 主轴颈的直径和长度52.2.3 曲柄臂52.3本章小结63连杆组的设计73.1 连杆的设计73.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用73.1.2 连杆长度的确定73.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算73.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算103.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算133.2 连杆螺栓的设计143.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力143.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算153.3本章小结164曲柄连杆机构的创建与分析174.1对CATIA软件基本功能的介绍174.2曲轴的创建174.3连杆的创建174.4曲柄连杆机构其它零件的创建184.5曲柄连杆机构的有限元分析194.6本章小结245设计总结25参考文献26致谢27III汽车曲柄连杆机构设计及仿真摘 要发动机是汽车最重要的部件，作为汽车的心脏，为汽车提供了动力。曲柄连杆机构恰恰就是汽车发动机的两大机构中的一个，对保证传动的稳定性和提高传动效率起着很大的作用。本文主要对汽车内燃机中的曲柄连杆机构的结构进行设计计算，以捷达EA113汽油机作为参考对象来进行方案实施。此内容包括详细的结构设计过程和参数的选择过程等步骤，并且对此曲柄连杆机构的主要零部件的强度刚度等进行计算和校核，利用计算机设计软件绘制零件设计图和装配图。并利用计算机分析软件进行仿真校验，仿真结果合理，设计可行。关键词：发动机；曲柄连杆机构；计算机辅助设计；有限元分析。Crankshaft and Connecting rod MechanismDesign and SimulationAbstractEngine is the most important auto parts,provided the impetus for cars.Crankshaft and connecting rods are both important parts of engine, which ensure the stability of the transmission and improve the transmission efficiency.Reference to JETTA EA113 engine scheme, the internal combustion engine crankshaft and connecting rod system was designed and relevant parameters were selected. In this paper, Detailed structure design and parameters selection were also done. The strength and rigidity of the main parts of the crank connecting rod mechanism is calculated and checked. Using computer design software. Parts and assembly were plotted. Using computer analysis software, the simulation verification was carried on. The simulation result is reasonable, and the design is feasible.Key words: engine; crankshaft and connecting rod; computer aided design; finite element analysis. 1绪 论1.1选题的目的和意义在汽车内燃机中曲柄连杆机构是起着传递力和转化运动的重要作用。发动机要想拥有足够的输出动力，就得通过曲柄连杆机构。通过它就可以把活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动。作为发动机中最为重要的受力部件，它的运作也就直接影响着发动机。也就是发动机的运作成功与否就取决于曲柄连杆机构。日前，发动机的强化指标也在不断的变化，档次也就在不断地向上提高，这也就使得机构所需要的工作条件越来越复杂。在现实社会中，如何设计曲柄连杆或者说设计曲柄连杆的主要问题在于，在众多周期性变化载荷的作用下，应该怎么在设计的过程中，使机构拥有充足的刚度和疲劳强度以及完美的静动态力学特性。这些都应是要考虑的因素。通过设计可以看出，确定机构的尺寸、选取适合的材料，这些因素对发动机曲柄连杆机构零部件的结构跟它总体的结构的确定有着必要的联系。大部分情况下，也是通过这些条件来满足实际生产的需求。在传统意义上的设计版块里，要进行一系列繁杂的数字计算，就是为了要应付设计的需求，而且为了能够在满足设计需求的同时，还需要注重产品的使用情况。这样就还得进行刚度、强度、可靠性和稳定性等等方面的设计计算以及校核计算。在前面的条件都得以满足后，还要对曲柄连杆机构进行动力学上的分析计算。所以说，传统的设计因过于复杂化而被我们所运用的并不多。本文主要运用了有限元分析的手段，比较有针对性的对机构实施分析与计算。这样就能更加真实的、更加全方面的了解到机构它在现实的工作情况下的一些力学方面的特征。1.2国内外的研究现状当今社会，随着时代的变化，世界也正在不断地翻新。汽车作为时下最有力的交通工具，正在逐渐变为人们生活的重要组成部分。曲柄连杆机构作为发动机里的核心部件，成为设计发动机的重要部分。曲柄连杆机构的技术创新大多在于材料和制作工艺的方面。 近几年以来，随着汽车工业的快速发展。世界众国家受到要求保护地球环境并且又出于对能源供给的不足的影响，已经开始着手在汽车尾气排放的问题上，并且开始严格的进行控制。在严格限制尾气排放的同时，还得注重汽车的动力性。如何让它更加的省油和如何最大化降低它的噪音，这种种因素就迫使做为汽车动力来源的发动机正在不间断的实行技术上的翻新。很多全新的结构、材料和加工制造的实施方案都已经大范围的运用了起来。尤其是在内燃机新的设计概念与方式上给与了很大的推广，让内燃机的技术得以快速发展。通过改变材料、结构、技术和工艺等等这些都是在当今社会上采用的设计手段。随着现代计算机技术与计算方法的快速发展，现代的内燃机的设计手段也就有了一些变化。而这些根本性的变化主要就表现在计算机辅助设计、仿真设计、优化设计、工程数据库和可靠性设计方法这几个方面。对于设计方法的可靠性而言，它需要有符合实际的一系列概率统计数据，这些数据囊括了所采用到的材料和其热处理等的强度概率分布，需要一直收集这些数据。1.3 本文设计研究的主要内容本文研究的主要对象就是曲柄连杆机构，而研究它的主要方向趋向于它的设计计算。其次在根据所涉及的内容以及设计的数据，运用绘图软件进行绘制。绘制完成之后选择曲柄连杆机构中的曲轴和连杆进行有限元分析。设计过程中会相应的对所设计的零部件进行一些强度与刚度的计算，并同时分析它的工作条件和应该选择何种材料。最后，将零件图转化为工程图，运用CAD软件反应出工程图中的各种数据。12曲轴的设计2.1 曲轴的结构型式和材料的选择2.1.1曲轴的工作条件和设计要求当曲轴处于工作的状态时，它会受到两种应力。这两种应力就是比较常见的弯曲应力和扭转应力。而且由于这两种应力的同时出现，就会使得另一种应力也就是疲劳应力的发生。这些都是在气体压力、惯性力和力矩的同时作用下发生的。曲轴的形状还是比较复杂的，应力集中这种现象也出现的比较多。主要表现在曲轴轴颈和曲柄的圆角过度区、曲柄的圆角过渡区、润滑油的油孔周围和加工不精细的这种地方。所以把应力集中地部位进行强化并想法让它这种想象得到减缓，这些问题都是要考虑到曲柄的设计里面的。而对于曲轴的强度不够这种现象就需要采取强化局部的方法来避免它的发生。在以上问题解决之后，曲轴的疲劳强度这一问题也就随之而解了，疲劳强度也就得到了充分的满足。曲轴的轴颈是以非常大的相对速度在轴承里产生相对的滑动摩擦。而这些摩擦是在相对较高的比压下产生的。再者随着变化比较强烈的曲轴运转工况的影响，这就让液体润滑得不到保证。而且那些没有清洁过的润滑油跟磨下来的金属碎料就会产生磨料磨损，很大程度上的降低了曲轴的实际使用寿命。曲轴的刚度也是很重要的。因为它作为发动机曲柄连杆机构的中心部件，如果不对它的弯曲刚度进行合理的要求，那么它们里面的一些重要的零件的工作条件就会变得非常恶劣，随之也会带来一些负面的问题。问题主要体现在，它的工作将会变得不可靠、耐磨性也会相应地变差，甚至会局部破坏掉曲轴箱。曲轴弯曲刚度不足还会影响发动机运动部件的摩擦功。曲轴的扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转共振。轻则引起噪声，重则曲轴将会出现断裂的现象。所以，弯曲刚度和扭转刚度一定要考虑到曲轴的设计当中。2.1.2 曲轴的结构型式在进行曲轴的结构设计时，应考虑其结构和制造方法。因为它的机构与其制造方法有着直接的关系，所以需要同时考虑。从结构上而言，曲轴分整体式曲轴和组合式曲轴。在这两种结构形式里整体式曲轴它的结构比较容易、加工表面也比较少、轻便、刚度和强度高等。这些优点足以让它成为应用率最广的设计。所以本文选择使用整体式曲轴。为了能够提高曲轴的刚度和弯曲强度，减小主轴承的载荷。因此本文选用全支承的结构形式。其结构型式如图2.1所示：图2.1全支承机构形式的曲轴2.1.3 曲轴的材料曲轴在材料选择方面需要依据一些参照来进行合理的选取。像它的用途和强化程度这些都得算进去。曲轴的大小和使用寿命这些都取决曲轴的材料强度。选择曲轴的材料时，它的材料要具有一些显著地特点，比如机械性能要高，耐磨性耐疲劳性和冲击韧性这些都要具备。在大多数车用内燃机、农用内燃机这些强化程度较低的中高速内燃机里，中碳钢45模锻曲轴这种材料的曲轴被采用的最多。强化程度高的中、高速柴油机和航空发动机，大部分运用拥有优异综合机械性能的含Cr、Ni、Mo、V、W等合金元素的优质合金钢来用作曲轴的材料。曲轴也可以采用锻造的手段来进行加工。选择什么样的材料来进行锻造也会对曲轴的性能有一些影响。球墨铸铁这种材料在大多数情况下锻造曲轴采用的相对较多。而球墨铸铁它是先把合金元素渗入其中，然后再对其进行热处理和表面强化以及其它的一系列措施。它的机械性能类似一般的中碳钢。本文的发动机曲轴选用的材料是球墨铸铁。2.2 曲轴的主要尺寸的确定2.2.1 曲柄销的直径和长度 这个部分的首要任务是确定曲柄销的直径。在大部分现代发动机的设计中的选择会选择大一点，这样做的目的就是为了保证曲轴的刚度和有效的提高轴承的工作可靠性。但是曲柄销的直径如果随意的进行增加就会带来一些其它的不良现象。就比如旋转离心力和转动惯量，如果加大了销的直径也就加大了这两种力。而且连杆大头也就随之变化了，它就会增加到难以从缸内取出的地步，这是应当避免出现的状况。还有就是曲柄销的直径变大了，轴承的摩擦损失也就对应的加大了，这就引起轴承温度的提升。同时润滑油的热负荷也相应加大了，这就对高速汽油机产生了很大的影响。因此，曲柄销的直径总是取小于主轴颈的直径。汽油发动机里有公式：；为气缸的直径；通过查阅资料，本次设计的，最后算出结果。曲柄销的长度的选择也不是随意选取的，它需要和曲柄销直径联系起来。要在一定的范围里进行必要的选取，这样就能让曲轴的刚度和轴承的可靠性得以保证，曲拐各部分的尺寸就能正确的确定出来，查阅一些资料得出最后依据相应的公式对所选数据和计算的结果进行校核计算。公式（为承压面投影面积，为活塞投影面积。换算单位为厘米）最后算出了答案，结果数值在的范围之内。此范围是是大部分情况下通用的，因此本文所选取的长度符合要求。2.2.2 主轴颈的直径和长度主轴颈大都选取短又粗的。这样就能在极大的程度上提高曲轴的刚度。增加曲柄销直径也会有许多的副作用，与增加曲柄销直径不同，增加主轴颈可以在提高曲轴的刚度的同时，让曲轴的转动惯量近乎不加大。所以通过增加主轴颈也就能够提高自振频率和降低扭振的损害。此外，增粗了主轴颈的同时，也就对应的减小了它的长度，这就让曲轴强度得到了提高。所以，考虑到曲轴各部分尺寸的协调性，大多数情况下，因为曲轴它越长，主轴颈也就相应的变粗了，这样就可以避免扭振破坏。所以取。一般主轴颈的负荷要轻于连杆轴径，轴径选的小一点就能够满足加强刚性和保证较好的润滑条件；与此同时，由于轴承的宽度小，对曲轴变形适应能力强，因此主轴颈的长度大都小于曲柄销的长度。可是，主轴颈要是太小，轴承的负荷能力就会下降。因此，。这样，有个范围的取值相对来说还是有必要的。 即取。2.2.3 曲柄臂曲柄臂的厚度和宽度都应恰当的进行选择。曲轴的刚度和强度都是要受这两个数据的影响的。曲轴的形状也要适合，用来改善应力的分布。一般而言，曲柄臂是整体式曲轴里比较脆弱的部分，在确定曲柄臂尺寸的选取时，应首先考虑到这个环节。由于椭圆形的曲柄臂除去了受力较小或不受力的部位，让它的重量得到了减小从而应力分布均匀。因此，此形状的曲柄臂多用于现代高速内燃机。研究发现椭圆形的曲柄臂拥有优良的弯曲和扭转刚度。但机械加工复杂，可以采用模锻或铸造直接成型。在大部分情况下，需要去除掉曲柄臂肩部上多余的部分，只有这样才能够尽量轻量化曲轴。在大部分设计里曲柄臂宽度与气缸直径的比值为；范围内选择一个数值算出；厚度与气缸直径的比值；同上选择范围内的一个数值算出。曲柄臂的尺寸要根据凸肩来确定，而所谓的凸肩就是连接轴颈和销的。凸肩的厚度确定对曲轴的加工工艺起着决定性的作用。凸肩的厚度一般是有限度的，的范围是在全加工曲轴里用到的，本文选择。圆角半径在部件当中也有着重大的影响，所以也需要对它进行合理的选择。只有将它选择合理才能降低一些圆角的应力峰值。所以得值应该选的大一点，一般取，选用。在设计的最后，运用计算机绘图软件对曲轴进行创建，创建的零件图如下图2.2所示。（曲轴的具体尺寸见附件1）图2.2曲轴2.3本章小结这一章主要对曲轴进行了简单的设计。首先对其的工作条件和设计的要求进行了研究与分析，同时选取适合它的材料；接着就是对它的主要的结构尺寸进行了设计，即曲柄销、主轴颈和曲柄臂的参数确定。153连杆组的设计3.1 连杆的设计3.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用连杆在工作的过程中受到的两种载荷:一个是纵向载荷，另一个就是横向载荷。这两种动载荷的大小、方向全是有变化的。而且在组装连杆组时又会引起静载荷。压入衬套时会在小头上出现，连杆的螺栓过紧就会在大头上出现。这两种载荷都是由一些力和运动所导致的。在连杆的设计过程里，让连杆满足疲劳强度和结构刚度的要求是首要任务。因为连杆的基本载荷是承受着气体压力和往复惯性力。如果强度不符合要求，就会让一些零部件发生断裂；刚度若是也不符合，就会影响到机构的运作。这两种力学性能都要进行正确的设计计算。就拿连杆大头来说，它若是变了形状就会让连杆螺栓承受一定的附加弯曲力；大头孔就会磨损；杆身在曲轴轴线平面内的弯曲就会让活塞在气缸里歪斜。还有其它一些部件与部件之间的磨损，漏气，窜油这些也时有发生。而在大部分情况下，那些对刚度要求相对较高的的发动机来说，刚度的要求是要比强度的要求要高很多的。在有些情况下，靠提高连杆的结构尺寸来提高连杆的强度与刚度，这种情况是不允许发生的。这是因为由于加大了连杆的重量的同时就加大了它的惯性力。因此，考虑到以上的诸多因素，在设计连杆时，满足刚度和强度的设计尽量在轻巧的结构上进行。正是因为这样，运用高强度的处理方式、选择恰当的结构形状和尺寸不失为增加强度的一个有效手段。要想连杆的结构轻巧自然离不开对它的材料的选择采用。本文选用的材料是钢，在钢里面选择优质中碳结构钢45。材料选好后，就对连杆进行锻模，表面在做一些强化处理用以增加连杆的刚度。3.1.2 连杆长度的确定 选择它的长度尺寸是根据总体的布置来确立的，即连杆长度它通常是用连杆比公式来计算的，连杆长度直接影响压缩比的精度，所以连杆长度精度应在之间。尽可能地减小连杆的长度在设计现代高速发动机领域应用更为广泛，这样做的原因是使得发动机的结构紧凑而且轻巧。一般连杆比的取值；范围里选择；曲柄半径查阅资料为；由此算出。3.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算1、连杆小头的结构设计连杆小头的结构还是比较简单的，它与活塞销相连并且承受巨大的燃气作用力。它处于活塞的内腔里面。它的体积不大、并且温度也相应比较高（大部分在摄氏度）。下图3.1所展现的就是连杆小头一些主要结构尺寸。由于衬套内径有范围取值，因此选择数值算出： 小头宽度根据衬套内径计算得出：小头孔和衬套之间尽量采用过盈配合，这样就可以减少它们之间的磨损，衬套的材料就要合理选择，一般选择耐磨锡青铜这种材料进行打造。这种衬套的厚度大部分选择在的范围内，本文选。小头孔的内径也是有范围取值的，因此算出结果：小头孔内径算出的同时算出外径为：，选择图3.1连杆小头的结构尺寸2、连杆小头的强度校核衬套和连杆是过盈配合的，因此拉伸压力在小头断面时有发生。如果衬套材料的膨胀系数高于连杆的，那么过盈量和小头断面中的应力就会因工作中温度的增加而增加。再者活塞组惯性力的拉伸和扣除惯性力后气压力的压缩这些影响都是连杆小头在工作时所负担的，所以就会发现工作载荷发生了变化。如果不合理的避免这些载荷，就会引起一些疲劳破坏。而这些破坏点主要发生连杆小头和它的杆身过渡处。考虑到上述问题，本文对连杆小头的疲劳强度进行了校核计算。 算出连杆小头所受到的应力；计算的过程中，可以把连杆小头和衬套的过盈配合比作是两个圆筒之间的配合。根据径向压力公式： （3.2）在其中，表示的是衬套压入时的过盈（）；大多数青铜的材料：。选择范围内的数值得出。式子里的表示的是工作后小头温升。大部分情况下它的取值在的范围里。本文选。表示的连杆材料的线膨胀系数。材料是钢的情况下 表示的是衬套材料的线膨胀系数。材料是青铜时，、表示的连杆材料与衬套材料的伯桑系数。表示的是连杆材料的弹性模数。材料为钢时，表示衬套材料的弹性模数。材料为青铜时， 有了这些数据的参考，并把数据代入公式由此算出结果：因径向力造成的小头外侧和内侧纤维上的应力可以依据下面的公式来进行计算， 外表面应力的公式为： 内表面应力的公式为： 都是有一个范围可以判定的，在的范围内即可。对照计算出来的结果，所以校验是合格的。 连杆小头的疲劳安全系数疲劳安全系数有下列公式： 表示的是材料在对称循环下的拉压疲劳极限。 材料是合金钢时， 。 本文选 表示的是材料对应力循环不对称的敏感系数。本文选。 表示应力幅。 应力幅公式为，（ ，） 所以算出。 表示平均应力。 平均应力公式为， 所以算出。 表示的是工艺系数。 它也是有取值范围的。，本文选。所以将这些数据代入公式当中算出： 合格的疲劳强度安全系数是在范围内的，计算结果在范围内所以校验合格。 连杆小头的刚度计算连杆小头直径的变形量的公式: 表示连杆小头的平均直径（）。 表示连杆小头断面积的惯性矩。大多数情况下，变形量允许控制在一个范围内，间隙不能太大，一般控制在的范围里即可。所算的数值在标准范围里，因此校验符合要求。3.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算1、连杆杆身结构的设计连杆杆身绝大部分用工字形的断面。这是考虑到连杆弯曲刚度方面的要求来选取的。杆身的截面宽度大约为(是气缸的直径)，选；再算出截面的宽度；范围里选择。2、连杆杆身的强度校核连杆杆身在工作中会受到不同的载荷。而且还会受到一些拉伸和压缩。所以，首先计算出断面的一些应力然后在根据这些应力算出疲劳强度的安全系数。最大拉伸应力有公式为： 表示连杆杆身的断面面积。一般此断面面积在汽油机里有范围取值的，（是活塞的投影面积）。本文取 把数值代入公式中计算出结果为： 杆身的压缩与纵向弯曲应力 连杆所承受的压缩力公式为： 摆动平面内的合成应力有公式： 表示系数。大多数钢的系数取值也是有范围的。；本文。表示计算断面对垂直于摆动平面的轴线的惯性矩（） ；将里的公式变化成： 表示连杆系数。 把数据代入中得出 再用相同的步骤考虑垂直于摆动平面内的合成应力，就有公式： 将里的公式变化成： 表示连杆系数。再将算出的数据代入的公式当中得出： 和也是有一个可用范围的，一般都在。查看一下结果，结果在范围里，所以校验符合要求。连杆杆身的安全系数连杆杆身所受的是非对称的交变循环载荷。所以；。由此求出杆身的疲劳安全系数。在连杆摆动平面内，循环的应力幅和平均应力算出： 在垂直摆动平面内就有： 把算出的结果代入到连杆杆身的安全系数公式里： 表示材料在对称循环下的拉压疲劳极限。合金钢这种材料；本文选择表示材料对应力循环不对称的敏感系数。查阅相关资料数据选择=0.2表示工艺系数。本文选择0.5。那么就算出连杆摆动平面内连杆杆身的安全系数：在垂直摆动平面内连杆杆身的安全系数为：杆身安全系数的可用值在的范围内，查看结果，结果在标准范围内，因此校验符合要求。3.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算1、连杆大头的结构设计与主要尺寸连杆大头的结构与尺寸大多数情况取决于曲柄销直径、长度、连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径。其中在、是在设计曲轴时确定的。，那么连杆大头的宽度，轴瓦厚度，取，大头孔直径。连杆大头与连杆盖的分开面采用平切口，大头凸台高度；为了让连杆大头结构刚度和紧凑性得以提高，连杆螺栓孔间距离。选，大部分螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取3毫米。2、连杆大头的强度校核假设通过螺栓的紧固连接将大头与大头盖基本看作是一个整体，弹性的大头盖支承于刚性的连杆体之上，固定角为，通常取，作用力则通过曲柄销作用在大头盖上依照余弦规律分布，大头盖的断面假设为不变，而且其大小与中间断面相同，大头的曲率半径为。连杆盖的最大载荷是在进气冲程开始的，计算得：作用在危险断面上的弯矩和法向力由经验公式求得： 这样就求出作用于大头盖中间断面的弯矩为： 作用在大头盖中间断面的法向力为： ，表示大头盖及轴瓦的惯性矩（） ，表示大头盖及轴瓦的断面面积（） 在中间断面的应力为： 表示大头盖断面的抗弯断面系数 算出连杆大头盖的应力为：连杆大头盖的应力的标准可用值在之间，查看结果，结果在范围里，所以此校验符合要求。3.2 连杆螺栓的设计3.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力根据气缸的直径确定出螺纹的直径。一般情况下螺纹的直径也是有范围选择的；选择。发动机在正常工作时，连杆的螺栓会受到两种力的影响，即预紧力和最大拉伸载荷。预紧力是由预紧力和预紧力这两部分组成。表示保证连杆轴瓦的过盈度要有的力；表示连杆大头和大头盖两者的结合不当而引起的惯性力分散所应该具有的力。连杆上的螺栓有两个，每个螺栓所承受的最大拉伸载荷就是往复惯性力和旋转惯性力在气缸中心线上的分力得总和。算出结果得出： 的取值也是有范围限制的，绝大多数在里选择。根据情况选取30，因为发动机有超速和活塞拉缸的可能性出现，应选的比理论计算值要大一点，大部分情况下取，则。3.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算连杆螺栓预紧力要可靠地保持均匀，太小太大都会相应的产生一些影响。太小连接就会不平稳；太大反而材料就会超出屈服极限。所以校核屈服强度还是相当有必要的。所以就有以下公式： 表示的是螺栓最小截面积；表示的是螺栓的总预紧力，它的总预紧力；表示的是安全系数；安全系数的取值是有限制的一般在的范围之中；本文选择；表示的是材料的屈服极限；在大部分情况下正常的屈服强度极限要大于。由此螺杆的屈服强度就算出来为： ； ；所以校验通过。在设计完连杆组后，运用计算机绘图软件对其进行创建，创建的零件图如下图3.24所示。（连杆的详细尺寸见附件2）图3.24连杆3.3本章小结这章的主要内容是对连杆进行设计与分析。开头先对它的工作条件和设计要求进行研究，在分析它们的同时确定它的材料；接着分别对连杆的小头、杆身和大头进行了选取设计，同时对它们的强度和刚度进行了校核计算，使连杆符合实际的加工要求。在最后，根据工作负荷和预紧力的要求对连杆螺栓进行了选取和对它进行校核检验。4曲柄连杆机构的创建与分析4.1对CATIA软件基本功能的介绍CATIA软件是现在运用相对较多的绘图软件之一，它可以实现零件的三维创建，也可以对零件进行一些受力与运动的分析。是一个非常实用的一个软件。它具有对零件的编辑的强大功用。它的曲面设计模块要比其它的一些绘图软件都要强。4.2曲轴的创建发动机要满足一些条件要求才能实现可靠地运作，这些条件主要就有两点：（1）曲轴上的连杆轴颈不在曲轴的中心线上；要在与连杆轴颈的相反的部位装有平衡重，此目的就是减小曲轴在转动的过程中的震动。（2）曲轴上要设置一些油孔，这样才能保证有润滑油对连杆的轴颈实现润滑。最后在满足这两个条件下画出曲轴，如图4.1所示。图4.1曲轴三维图4.3连杆的创建连杆要满足以下的几点：（1）连杆有两个对称面，而且这两个面相互垂直。一个对称面和锻造连杆毛坯的模具分型面相平行，另一个面通过两端圆孔的轴线。（2）连杆毛坯是用锻造成型的手段来加工的。所以，连杆体和连杆盖两者都有模锻斜度，连杆体上的槽与凸台也要有。（3）连杆体和连杆盖是配套的，不可实现分个加工，需同时进行。在装配和工作时不能相互交变。根据以上的条件与要求画出连杆，如图4.2所示。 图4.2连杆杆身和大头盖三维图4.4曲柄连杆机构其它零件的创建1根据第三章对连杆螺栓的设计，创建它的实体模型。如图4.3所示。 图4.3连杆螺栓三维图2连杆小头与小头衬套之间是过盈配合，本文没有对其进行详细的尺寸设计，主要按照标准尺寸来绘制。如图4.4所示。图4.4连杆小头衬套三维图3活塞销本文也作为标准件来对其进行创建。如图4.5所示。图4.6 活塞销三维图4活塞销卡环也作为标准件来对其进行创建。如图4.7所示。图4.7 活塞销卡环三维图4.5曲柄连杆机构的有限元分析 1、对连杆进行静力分析(1)把创建好的连杆的CATIA图导入到ANSYS软件中，首先对其进行网格划分。运用ANSYS软件中的Mesh命令对连杆的模型进行网格划分，网格划分为自由网格。划分好的模型如下图4.8所示。图4.8连杆有限元网格模型图（2） 对其进行加载求解。具体约束的地方是在小头接触区，保留沿气缸长度方向上的移动和绕小头孔中心线的转动自由度，其它自由度给予约束。在大头与曲柄销的接触区保留绕大头孔中心线的转动自由度，其它自由度给予约束。连杆在工作的过程中受到气缸内气体压力和连杆的往复惯性力的一些作用。气缸内气体的压力和惯性载荷是周期载荷，它随着时间的变化而变化。载荷的施加方式对连杆的局部应力有着重要的影响。本文仅对连杆进行静力学分析，为了方便，ANSYS软件中采用Solution命令对连杆进行加载，采用沿着连杆小头内孔朝内的一半处均匀分布载荷1000Pa。载荷数值的取值根据传统设计里对它施加的载荷选取。施加与约束位置如下图4.9所示。 图4.9施加的约束与载荷图（3）节点等效应力分析图，如图4.10所示。由于在连杆小头内孔朝内的一半处分布的是均匀载荷，得到的也就是节点等效应力分析图。图4.10节点等效应力分析图（4）经过分析结果显示，连杆小头在施加均布载荷后，它的最大位移出现在连杆小头的圆孔处。然后逐渐向内递减，到连杆大头圆孔的位置为最小位移。最大应力出现在活塞与小圆孔接触的位置，这也是整个连杆最危险的地方，应该采用相应的措施来进行表面的处理，用以提高连杆的抗拉压强度。本文选用的材料45钢，再进行的调质热处理和表面进行喷丸处理的方法正好满足这一要求。 2、对曲轴进行模态分析（1） 将创建的曲轴的CATIA图导入到ANSYS软件中。首先对其进行网格的划分，定义材料的属性。选择自由网格划分，网格划分图如图4.11所示。图4.11曲轴有限元网格模型图（2）定义约束条件。在对本文的整体式曲轴进行模态分析时，采用不同的约束也会对分析的结果产生直接的影响。针对发动机实际运行的工况，曲轴受到主轴承和纵向止推轴承的约束。同时为了控制发动机在工作时曲轴的轴向窜动，在曲轴上设置有轴向的定位装置，但是又要保证曲轴在受热膨胀时有一定的自由伸长量，所以曲轴上只能有一处轴向定位，为模拟轴向定位约束，在曲轴后端面施加了轴向位移约束。考虑到这两种情况，本文选择曲轴的两端轴面施加全约束。如图4.12所示。图4.12曲轴两端施加约束图（3） 开始对曲轴进行模态分析。本文主要是对曲轴两端面施加约束，求得前6阶模态振型。各阶的振型如下图所示。图4.13曲轴第1阶振型图图4.14曲轴第2阶振型图 图4.15曲轴第3阶振型图图4.16曲轴第4阶振型图图4.17曲轴第5阶振型图图4.18曲轴第6阶振型图下表所展示的就是曲轴6个阶段的固有频率与振型。表4.19曲轴模态的固有频率与振型 模态阶数 固有频率 振型 1X-Z向弯曲振动 2X-Y向弯曲振动 3X轴向伸缩 4X-Y向弯曲振动 5X-Z向弯曲振动 6复杂弯扭振动（4）从振型图里可以看出，曲轴的主要变形形式就是弯曲和扭转。而且，频率的增加就会带动危险振型的出现。变形比较大的地方主要就出现在曲柄臂和连杆轴径连接的方位。因此本文在设计曲轴这一块，也充分的考虑到了曲柄臂的设计参数。4.6本章小结这一章是对所设计的内容，即曲柄连杆机构进行实体的创模和受力的分析。首先运用了CATIA软件把曲轴和连杆根据设计要求创建出来，同时也创建出其它的一些零部件。接着就是把编制出来的曲轴和连杆的零件图导入ANSYS软件中并分别对其进行了受力的分析，得出分析的结果。265设计总结本次毕业设计主要对汽车发动机的曲柄连杆机构进行了设计及分析。主要对机构里的曲轴和连杆进行了相应的设计计算并对它的一些零部件进行了疲劳强度的校核。接着，运用了CATIA软件对曲轴和连杆还有其它一些零部
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