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中曲轴的几何模型。而曲轴，作为发动机的主要运动部件，其性能优劣直接影响到发动机的可靠性和寿命。在周期性变化的动载荷作用下，曲轴内将产生交变的弯曲应力和扭转应力，极易在过渡圆角等应力集中部位发生弯曲疲劳破坏和扭转破坏。随着发动机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻。本文对发动机曲轴进行符合实际条件的建模，采用ANSYS对其进行三维有限元分析，研究了整体曲轴的变形和应力状况，根据应力响应结果并结合材料特性，校核了载荷下的强度，为发动机曲轴改进设计中的分析提供了理论依据。

关键词：发动机；曲柄连杆机构；受力分析；曲轴；Pro/E；有限元分析The 4G63 engine design parameters as a reference, on four-cylinder gasoline engine crank crankshaft, etc. The main components of structural design calculations, and the crank was on the theory of kinematics and dynamics analysis Finite element analysis computer.

First, the kinematics and dynamics of theoretical knowledge as the basis, the motion law of crank rod system and the structural problems in sports, and a comprehensive analysis of the precise analysis results obtained. Next to the crankshaft respectively detailed structure design, and a structure strength and stiffness checking. Again, use 3d CAD software: Pro/e established in crank rod system of crankshaft geometric model. And, as the main engine crankshaft, its performance movement part quality directly affect the engine reliability and life expectancy. In periodically dynamic load, crankshaft will produce alternating within the bending stress of the torsional stress, easily with the stress concentration areas such as transitional fillet bending fatigue damage occurred and twisting damage. With the engine crankshaft constantly strengthened, the more harsh working conditions. This paper to accord with the actual conditions of engine crankshaft modeling, using ANSYS, the three-dimensional finite element analysis of the whole of the crankshaft research, according to the deformation and stress conditions stress response results and material properties, checked with the strength of the load for design improvement, the analysis engine crankshaft provides theoretical basis.

Key words: Engine；Crank；Stress Analysis；Crankshaft Pro / E；Finite Element Analysis

目　　录

摘要I

AbstractII

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2

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5

2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择5

2.2 曲柄连杆机构运动学5

2.1.1 活塞位移6

2.1.2 活塞的速度7

2.1.3 活塞的加速度7

2.2 曲柄连杆机构中的作用力8

2.2.1 气缸内工质的作用力8

2.2.2 机构的惯性力8

2.3 本章小结16

第3章曲轴的设计17

3.1 曲轴的结构型式和材料的选择17

3.1.1 曲轴的工作条件和设计要求17

3.1.2 曲轴的结构型式17

3.1.3 曲轴的材料18

3.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计18

3.2.1 曲柄销的直径和长度18

3.2.2 主轴颈的直径和长度18

3.2.3 曲柄19

3.2.4 平衡重19

3.2.5 油孔的位置和尺寸19

3.2.6 曲轴两端的结构20

3.2.7 曲轴的止推20

3.3 曲轴的疲劳强度校核21

3.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩21

3.3.2 名义应力的计算25

3.4 本章小结27

第4章曲轴的有限元分析28

4.1 对Pro/E软件基本功能的介绍28

4.2 曲轴的创建28

4.2.1 曲轴的特点分析28

4.2.2 曲轴的建模思路28

4.2.3 曲轴的建模步骤28

4.3 对ANSYS软件的介绍30

4.4曲轴的有限元分析30

4.4.1 曲轴受力条件与简化30

4.4.2 曲轴的静力学分析31

4.5本章小结37

结论38

参考文献39

致谢401.3 设计研究的主要内容

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；

（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；

（5）应用ANSYS软件对模型进行有限元分析。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[4]。

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[4]。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4G63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零件进行了主要参数的设计计算，并通过校核检验尺寸选取的是否合适。分析了曲轴的工作条件，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中曲轴零部件的实体分析模型。

（5）运用ANSYS软件的有限元分析模块模拟研究了曲轴静力分析下的情况特性，有限元分析表明，在对曲轴进行静力学分析过程中，3缸的曲柄臂和连杆轴颈受到的力最大，为危险截面。

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。

4G63发动机曲轴设计及有限元分析.gif

内容简介：: 毕业设计（论文）题目审定表指导教师姓名朱荣福职称讲师从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称4G63发动机曲轴设计及有限元分析课题适用专业车辆工程课题类型Z 课题简介：（主要内容、意义、现有条件、预期成果及表现形式。）选题意义：曲轴是发动机中最重要、载荷最大的零件之一。曲轴承受着气缸内的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的杂合，并对外输出扭矩，理论和实践表明，发动机的曲轴的破坏形式主要是弯曲破坏。因此在曲轴内产生交变的弯曲应力，可以引起曲轴疲劳失效，而一旦曲轴失效，就可能引起其他零件随之破坏。所以对于整体式多缸曲轴，如何比较准确地得到应力、变形的大小及分布，对用于指导曲轴的设计和改进，具有重要意义。随着发动机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性至关重要，其设计是否可靠，对柴油机的使用寿命有很大影响，因此在研制过程中需要给予高度重视。由于曲轴的形状及其载荷比较复杂，对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，是分析各种结构问题的强有力的工具，使用有限元法可以方便地进行分析并为设计提供理论依据。主要内容：查找发动机曲轴参数；根据内燃机设计设计曲轴结构参数；建立曲轴Pro/E模型；并对进行有限元分析。现有条件：计算机，书籍文献等资料。预期成果及表现形式：论文内容符合要求，论文一份（2万字以上）。指导教师签字：年月日教研室意见1选题与专业培养目标的符合度好较好一般较差2对学生能力培养及全面训练的程度好较好一般较差3选题与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度好较好一般较差4论文选题的理论意义或实际价值好较好一般较差5课题预计工作量较大适中较小6课题预计难易程度较难一般较易教研室主任签字：年月日系（部）教学指导委员会意见：负责人签字：年月

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