毕业设计（论文）-发动机曲轴连杆机构仿真及有限元分析设计-adams

曲轴连杆活塞组件虚拟样机的建立学 院 名 称：机械工程学院专 业 班 级： 机械设计制造及其自动化 0501 班学 生 姓 名：号：指 导 教 师：学2009 年 6 月全套图纸加扣3012250582 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文摘 要柴油机的气缸、活塞、连杆、曲轴以及主轴承组成一个曲柄连杆机构。柴油机通过曲柄连杆机构，将活塞的往复运动转换为曲轴的回转运动，使气缸内燃油燃烧所产生的热能转变为曲轴输出的机械功。可见，曲柄连杆机构是柴油机重要的传力机构。对其运动和受力情况进行分析和研究，是十分必要的。这种分析研究既是解决柴油机的平衡、振动和总体设计等课题的基础，也是对其主要零部件在强度、刚度、磨损等方面进行计算和校验时的依据。本文在曲柄连杆机构理论分析的基础上，利用多体动力学理论，三维造型软件 Pro/E及动力学分析软件 ADAMS 对内燃机曲柄连杆机构的动力学问题进行了虚拟样机仿真分析。并以 CT484Q 柴油机为研究对象，在 Pro/E 中建立 CT484 柴油机曲柄连杆机构的虚拟样机模型，导入 ADAMS 中进行动力学分析，绘制出虚拟样机模型中各连接位置处受力仿真结果曲线。通过本文的研究，展示了一种简捷、高效的机械设计分析手段，对今后同类型的研究乃至更大规模的仿真分析积累了一些经验。本文的研究也可以为今后内燃机机构的造型、优化设计提供参考依据。关键词：内燃机，曲柄连杆机构，ADAMS，虚拟样机，仿真1 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文AbstractThe Cylinder, piston, connecting rod, crankshaft and main bearings of diesel engineCompose of a crank-connecting rod mechanism. Through the crank-connecting rod mechanism,Diesel engine convert the piston reciprocating motion to the rotary movement of the crankshaft,and make the cylinder generated by fuel combustion energy into mechanical work output of thecrankshaft. This shows that diesel engine crank linkage is an important body for transmissionforce. It is necessary to analysis and research its movement and force. This analysis is thefoundation to solve the balance of diesel engine, vibration and overall design, It is the basis forvalidate and calculate the strength, stiffness, wear, etc.In this paper, based on the theoretical analysis of crank-connecting rod mechanism, use ofmulti-body dynamics theory, and use the three-dimensional modeling software, Pro/ E and thedynamic analysis software ADAMS to carry out crank and connecting rod for internalcombustion engine body dynamics simulation of a virtual prototype simulation. And studyCT484Q Diesel Engine, established linkage of the virtual prototype of diesel engine model InPro/ E, then do dynamic analysis in ADAMS and draw the connection position of the powercurve for the simulation result.Through this paper, the study demonstrated a simple and efficient means of mechanicaldesign and analysis for future research as well as the same type of simulation analysis andaccumulate some experience. The study of this paper can provide reference for the modeling andoptimal design.Key words: Internal Combustion Engine, Crank-connecting rod mechanism, ADAMS, VirtualPrototyping2 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文目录第一章 绪论11.1 研究的意义11.2 内燃机曲柄连杆机构的工作特点以及难点11.3 国内外研究及手段21.3.1计算机辅助设计（CAD）21.3.2 多体动力学分析（MBS）21.3.3 有限元分析31.3.4优化设计理论31.4 主要研究内容和方法4第二章 曲柄连杆机构的动力学理论分析52.1 内燃机工作过程分析52.1.1压缩始点气体状态52.1.2压缩终点气体状态62.1.3燃烧过程及燃烧终点气体状态62.1.4膨胀终点气体状态72.2 曲柄连杆机构的运动分析72.3曲柄连杆机构的动力学分析92.3.1曲柄连杆机构的质量换算92.3.2曲柄连杆机构的惯性力和惯性力矩102.3.3曲柄连杆机构的动力学分析113 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文2.4 内燃机工作过程计算11第三章 曲轴连杆活塞组件的虚拟样机1 53.1Pro/E 系统的建模原理及其特点153.1.1参数化设计153.1.2 特征建模的基本思想163.1.3全相关的单一数据库163.2 曲柄、连杆、活塞组件几何模型的建立以及装配163.2.1活塞组件的建模163.2.2 连杆组建的建模193.2.3曲轴组件的建模213.2.4曲轴连杆活塞组件的总装配23第四章 曲柄连杆机构的运动学和动力学分析2 24.1ADAMS简介及其基本原理254.1.1 运动学和动力学基本概念264.1.2 ADAMS中多刚体动力写方程的建立284.2ADAMS 中的运动学和动力学分析294.2.1 曲柄连杆机构刚体模型的转化和输入304.2.2 曲轴轴系多刚体动力学仿真分析33第五章 结论与展望415.1 总结415.2 展望414 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文致谢42参考文献4 3附录445 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文第一章 绪论1.1 研究的意义内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，自 1860 年法国人设计出第一台煤气发动机以来，内燃机无论是在结构上还是在性能上都较以前有了很大的进步。在现今社会，几乎所有的交通工具都已内燃机做其核心的动力源1。科技进步不仅推动了内燃机的发展，也对其性能提出了更高的要求燃料燃烧的高效低污染、使用的稳定性以及更长的寿命等。这都要求内燃机改进设计优化结构以减少工作过程中的各种动态力。曲柄连杆机构的设计是否合理将直接影响内燃机的功率、排放、可靠性和使用寿命等重要性能。随着计算机技术的发展，设计过程中计算机辅助设计手段的利用程度已成为衡量内燃机性能优劣的标准之一。欧洲、美国和日本等汽车工业发达国家，汽车发动机设计全部利用 CAD/CAE/CAM 技术，这也使得他们的发动机性能优良。美国评选的 2005 年全球十佳发动机，前三名来自于德国的奥迪和宝马公司，其余的也全部由美国和日本设计生产。目前我国对这些先进手段的利用程度还很低，虽然国内很多内燃机研究所已经认识到这些，也都大力引进和发展这些先进的技术手段，但由于资金和人才缺乏再加上国外的技术封锁，真正拥有自己的一套技术的还很少。加入 WTO 后的中国面多的是全世界的竞争，中国的机械行业要达到发达国家水平，必须先掌握先进的产品开发工具3。1.2 内燃机曲柄连杆机构的工作特点与涉及难点内燃机曲柄连杆的设计原则是解决工作过程中惯性力的平衡及改进结构以减少活塞对汽缸壁的侧压力，并降低内燃机的振动，但工作环境的瞬变使得这些分析十分困难。在工作过程中，活塞顶部受力变化复杂，上下运动时活塞对汽缸壁产生很大的侧压力，降低了内燃机工作效率，活塞环亦容易损坏；连杆做复杂的平面运动且质量较大，平面运动产生的惯性力与不容忽视的，连杆长度的微小变化也对机构产生很大的影响；飞轮曲轴的模态对内燃机工作地稳定性和寿命有很大影响，要设计出合理的曲轴连杆机构，还要考虑内燃机布置方式和场合，约束因素较多，设计难度非常大。传统的方法是对结构进行简化计算并与样机试验相结合进行设计。这种方法得到的结果往往存在较大的误差，很难获得理想的结构参数，且劳动强度大，开发周期长，浪费人力物力。借助先进的计算机辅助设计手段，设计人员的劳动强度已有所降低，产品开发周期也有所缩短。但仍有一些难题无法1 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文解决，如机构连接处动摩擦力和零件变形等，有待进一步完善。1.3 国内外研究现状及手段市场竞争的家具要求厂家必须缩短产品开发周期以增强市场竞争力，同时，为了提高质量、降低成本，有需要做大量的实验性分析和数据处理。这使得现代设计理论的计算机辅助设计系统得以快速发展。在内燃机产品设计开发过程中应用比较广泛的现代设计理论有计算机辅助设计、多刚体动力学分析、有限元分析、计算机辅助工程热力学以及综合利用这些理论的优化设计18。1.3.1 计算机辅助设计（CAD）6计算机辅助设计是从 60 年代发展起来的，是现代设计方法的一个重要分支，它从根本上改变了机械设计的传统模式，引起了工程设计领域的深刻变革，并由此发展派生出了计算机辅助分析（CAE）和计算机辅助制造（CAM）。目前国外在这方面的技术已经十分成熟，知名的三维 CAD 软件主要有法国达索公司的 CATIA、美国 EDS 公司的 UG、SDRC公司的 I-DEAS 和 PTC 公司的 Pro/E。最近更流行的是基于变量的三维设计软件（I-DEAS），PTC 公司的基于全参数化的三维软件 Proe 已经没有前几年那么强势。1.3.2 多体动力学分析（MBS）3,5多体动力学模拟（Multibodies Simulation）是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，MBS 提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域的应用越来越广泛。多体动力学包括多刚体系统动力学和多柔性系统动力学，多刚体系统动力学是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种约束形式连接，研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其它一些量的表达式。多柔性体系统动力学是由刚体和柔性体混合组成的系统。对内燃机产品的装配模型进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现干涉；对装配模型进行动力学仿真，课模拟机构运动过程中的载荷分布，对零件强度分析起指导作用；利用多体动力学理论，还可以对机构进行优化设计。对系统进行多刚体动力学分析需要大量的计算，多柔性体系统的计算则更加复杂。在计算机技术高度发达之前，该理论只应用比较简单的刚体系统，但是随着计算机的发展和CAD 技术的成熟，美国 MDI 公司已经开发出了比较简单的刚体系统，但是随着计算机的发展和 CAD 技术的成熟，美国 MDI 公司已经开发出了比较完善的多刚体动力学分析软件2 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System），其不但适用于多刚体系统的动力学分析，而且可以进行多柔体系统的动力学分析。目前已经被世界上数百家制造商采用。1997 年美国登陆火星的研究中就利用了该软件，当然，其售价也是十分昂贵的。其他的多刚体动力学分析软件还有 PTC 公司的 Pro/Mechanical、Working model 3D 以及 I-DEAS软件的 Simulation 模块等。目前国内还没有这方面的软件，只有少数大学进行了机构运动、动力学仿真分析方面的研究和局部应用，但都很少应用于生产，相关资料也不多。1.3.3 有限元分析有限元分析早在 20 世纪 20 年代就有人提出，但是由于其庞大的计算量，并没有被广泛应用，随着计算机工具的进步，有限元计算过程中的大量计算被简化为计算机的后台操作，使得有限元分析方法的应用有了今日崭新的阶段。内燃机设计过程中很大一部分的工作使计算零件强度性能、可靠性以及耐久性等，特别是活塞组的耦合应力分析。早期的研究中，在活塞组和缸套间传热的问题上，多以稳态热研究为主，误差很大。近年来，偶和模型开始出现在国内外内燃机的研究课题中，其中对活塞组部分的研究最为突出，国内也对耦合模型进行了研究。耦合方法是部分专家在对内燃机工作部件内部坏境作深入研究时提出的一种新方法，现代内燃机传热研究的一个重要方向是把汽缸内气体流动、燃烧、对流、传热辐射传热模型与燃烧室部件整体（缸盖缸套活塞）耦合起来对活塞组进行分析。由此可知，耦合方法是以后的发展趋势，如果使用得当，它可以解决因活塞组与缸套之间相对移动而导致边界条件难以确定的问题。目前，国外普遍采用 CFD（Computational Fluid Dynamics）和 FEA 耦合的方法进行活塞组等内燃机部件的传热研究，通过 CFD 计算得到活塞顶工质的温度及换热系数以及缸套冷却水的温度和换热系数，将之作为 FEA 的第三类边界条件计算。国内对于这方面的研究还很少见诸报道。1.3.4 优化设计理论机械优化设计就是把机械设计与数学规划理论及方法相结合，借助电子计算机，寻求最优设计方案。现在优化设计理论已相当成熟，有多种优化算法可供研究者参考，如人工蚁群算法、遗传算法等。在各种计算机软件已经相当成熟的今天，如何更好的利用各种计算机软件对所涉及的问题进行优化并得到可靠结果是研究的重点。在内燃机中应用优化设计的目的是在不降低内燃机性能和寿命的情况下，如何减小动态力、降低重量和降低成本。内燃机设计过程涉及的约束条件多，设计目标也多，是典型的多目标优化设计问题。目前3 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文国外的科研机构已经可以利用各种工具对内燃机整体进行优化。国内也有很多科研机构对内燃机零件进行优化设计，如气门弹簧、活塞、连杆、曲轴等，并且取得了很好的成果。1.4 主要研究内容和方法本文在对内燃机曲柄连杆机构理论分析的基础上，利用数值计算、虚拟样机仿真的方法，对内燃机曲柄连杆机构进行运动学动力学分析其主要内容包括：（1）利用 C 语言对柴油机的热力过程进行编程计算得到加在活塞上的气体爆炸力曲线。（2）运用 Pro/E 软件对曲柄连杆机构进行零件建模和模型装配，以确定各组成部件的质量特性参数和材料特性参数。并进行简单的运动仿真，在设计前期校验机构中是否存在干涉；（3）利用接口软件导入 ADAMS 软件进行曲轴轴系的动力学仿真分析。4 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文第二章 曲柄连杆机构的动力学理论分析及计算在对内燃机曲柄连杆机构进行动力学仿真分析之前，必需对曲柄连杆机构的工作过程和原理进行系统的理论分析，这是以后虚拟样机仿真的基础。本章运用力学理论对内燃机曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析。现代汽车和各种工程机械上使用的内燃机多以四缸和六缸为主，但是从原理上来说都和单缸内燃机的原理一样，因此本文主要对单缸内燃机进行理论分析，得出机构运动中的各种关系式。2.1 内燃机工作过程分析1在内燃机设计开始阶段，首先根据设计任务书和选定的参数进行工作过程热计算，绘出标准工况下内燃机的示功图，其主要作用有：（1）对内燃机的动力性能和经济性能参数起一定的校核作用；提供内燃机主要热力参数之间相互关系的简单计算方法；（2）提供在设计阶段零件强度计算的依据；（3）为内燃机的性能改进提供初步的理论依据。为了达到足够的精确度，计算式必需考虑下列条件：（1）考虑工质成分和比热的变化；（2）把配气定时，气体和缸壁之间的热交换、放热规律、不完全燃烧等的影响用一些实验统计参数：压缩多变指数 1，膨胀多变指数 2、热量利用系数 和示功图丰满系数来考虑；（3）燃烧过程是按定容和定压混合进行的。2.1.1 压缩始点气体状态四冲程内燃机在进气门关闭以后，压缩始点温度：+ +=(2-1)1+非增压四冲程内燃机： = 0， = 1020， = 700800 ， = 0.030.06；压缩始点压力Pa因进入气缸的空气流经进气门时产生节流损失使之低于进气系统的压力Ps，压力损失的大小与进气道阻力的大小及活塞平均速度有关非增压四冲程柴油机： = （0.90.98）(2-2)05 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文2.1.2 压缩终点气体状态压缩终点压力：=1(2-3)(2-4)=11压缩终点温度：式中： 压缩比；1压缩多变指数。在实际发动机压缩过程中由于存在与缸壁产生热交换及漏气损失现象， 1为变数。压缩始点 1最大，接近终点 1最小。2.1.3 燃烧过程及燃烧终点气体状态内燃机燃烧过程可近似地以混合循环方式表示，从压缩终点 c 至z，以定容升压到达最高爆发压力 ，再由z，定压膨胀至z 。最高爆发压力应根据内燃机的实际情况定出。 值受内燃机结构强度及配齐凸轮轴承承载能力的限制。但 过低又导致内燃机排气温度过高而使热效率降低，最高爆发压力通常根据经验选取。四冲程内燃机示功图如图 2-1：一般柴油机的最高爆发压力 值范围如下：非增压柴油机：5085（2）；增压柴油机：70140（2）。6 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文压力升高比 =；定容燃烧终点温度=；燃烧终点的气缸容积：=(2-5)式中： 实际分子变更系数；初期膨胀比。2.1.4 膨胀终点气体状态膨胀终点压力：= ( )= ( )(2-6)(2-7)221膨胀终点温度：式中： 2压缩多变指数。实际膨胀多变指数 2为变数，膨胀始点 2值最小，膨胀终点 2值最大，计算中 2可以取平均值。一般经验值：对于柴油机 2 = 1.21.32。2.2 曲柄连杆机构的运动分析1发动机的工作机构主要采用中心式曲柄连杆机构，其气缸中心线通过曲轴的旋转中心，结构简图如图 2-2 所示：图 2-2 曲柄连杆机构结构简图7 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文图中 连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离；曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离；曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度;连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度；曲轴旋转角速度;活塞位移，指活塞由上止点开始向下比点运动的距离，上、下止点分别指活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的位置。活塞在气体爆发压力作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲轴的旋转运动。在曲柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为曲轴作匀速旋转运动，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角 的函数。活塞位移 ：= ( + ) (+)(2-8)式中：()；。活塞速度 ：sin ( + )=(2-9)活塞加速度 a( + )22=2(+)(2-10)(2-11)式中 cos 可按牛顿二项定理展开成如下级数：12181= 1 22 44 66 16在实际计算中，为简便起见一般只取前两项：1 1 22(2-12)(2-13)2=+=2，称为活塞的一级加速度；式中= r2cos2，称为活塞的二级加速度。连杆的角速度18 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文=(2-14)(2-15)11(1 22 )2连杆的角加速度1(1 2)(1 2= 2 (1 2)= 213322 )2.3 曲柄连杆机构的动力学分析1曲柄连杆机构的动力学分析是内燃机结构设计的基础，主要分析曲柄连杆机构中载荷的分布情况，并从中找出产生内燃机振动、曲轴旋转不均匀和平衡惯性力的原因，从而确定改善动力性能的措施。动力学分析还为内燃机主要零件的强度、刚度、磨损、震动和轴承负荷计算提供必要的数据10。运转着的内燃机，其曲柄连杆机构中作用着气缸内燃烧气体对活塞顶面的压力、往复和旋转零件的惯性力、外部载荷对曲轴的反作用力以及摩擦副间的摩擦阻力等。在动力分析中，一般不考虑机构自身重力和摩擦副间的摩擦力，主要分析燃烧气体对活塞顶面的压力以及各构件的惯性力（活塞组往复运动产生的往复惯性力、曲轴旋转运动的离心惯性力以及连杆平面运动惯性力）在曲柄连杆机构中的作用情况10。2.3.1 曲柄连杆机构的质量换算在对曲柄连杆机构进行动力学分析时，必须对曲柄连杆机构各部件的质量进行换算，将机构简化为集中在活塞销中心与曲轴销中心的两个集中质量。简化原理如下：2.3.1.1 连杆组连杆组由连杆体、连杆盖、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓及油管等组成，它作复合平面运动。换算原则是保持系统的动力等效性。连杆的质量换算目前最为普遍的是双质量替代系统：+=+= 0=(2-16)22+= 式中：()集中在连杆小（大）头中心的连杆组换算质量；( )连杆组重心到连杆小（大）头中心距离；9 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文连杆组的总质量连杆组绕其重心的转动惯量 修正的连杆力偶矩 =2.3.1.2 活塞组活塞组包括活塞、活塞环、活塞销及其固定件等，活塞沿气缸轴作往复直线运动，认=。为其质量集中在活塞销中心。以 表示：2.3.1.3 曲轴曲轴包括曲柄销、曲柄臂、主轴颈等。曲柄的旋转质量应换算到曲柄销中心上，换算原则是离心惯性力相等。曲柄销的换算质量就是曲柄的实际质量曲柄臂：1 =1； 2 =(2-17)2式中：曲柄臂的重心到曲柄旋转中心的距离；主轴颈的换算质量为零，因此，但曲柄的换算质量为：=1 + 2(2-18)22.3.2 曲柄连杆机构的惯性力和惯性力矩1）活塞组的往复惯性力往复惯性力 的方向始终沿着气缸中心线，与活塞加速度 a 的方向刚好相反。规定指向曲轴旋转中心的往复惯性力为正值。= (2-19)式中：m = m + mcajp当活塞位于上止点时， 指向气缸盖，其绝对值最大= (1 + )2；=(1 )2，指向曲轴旋转中心。当活塞位于下止点时，更具活塞加速度 a 的技术表达式，可把分解成若干级的三角函数之和，既：=+ 10 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文但对于转速 n5000rpm 的内燃机，不必考虑四级以上的而往复惯性力，只分析一、二级往复惯性力。= 2，= 22(2-20)2）离心惯性力的方向始终沿着曲柄半径朝外。规定指向曲轴旋转中心的为正值。= 2(2-21)3）连杆组的平面运动 连杆的摆动属复杂的平面运动。作用在连杆上的惯性力可以看成为集中在连杆组中心 C 的三部分力的几何合成和一个连杆力偶矩。(1)由于连杆组随活塞作往复运动而产生的往复惯性力，其方向平行于气缸中心线，且与活塞加速度的方向相反。= (2-22)1(2)由于连杆组绕活塞销中心摆动的向心加速度而产生的离心惯性力，其 方向沿着连杆中心线指向连杆组质心 C。= 2(2-23)(2-24)(2-25)2(3)由于连杆组绕活塞中心摆动的切向加速度而产生的惯性力。= 3(4)连杆力偶矩：= 2.3.3 曲柄连杆机构的动力学分析内燃机工作过程中，曲柄连杆机构的受力如图 2-3 所示：主要包括以下几个力：1) 沿气缸中心线的总作用力 P=+(2-26)式中： 往复惯性力；燃气压力， = ( )，规定朝向曲轴旋转中心为正。11 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文式中：从示功图上量得的气体压力；曲轴箱内的气体压力。2) 活塞销处 的分解：=+(2-27)(2-28)(2-29)= /如果把= ( )转化成= ( )的关系，可直接看出 对活塞与气缸套之间磨损的影响。规定对曲轴旋转中心产生的力矩方向与曲轴旋转方向相反的为正， = ( )说明了连杆受力变化的情况。规定压缩连杆的力为正。3) 曲轴销处 的分解=+(2-30)式中： 曲柄切向力，曲柄法向力，=( + )，顺着曲轴转向的为正；=( + )，朝向曲轴旋转中心的为正。4) 但曲柄扭矩 规定与曲轴旋转方向相同的为正；( + )( + )=(2-31)(2-32)5) 侧向力矩 M= = 式中：h活塞销中心线至曲轴中心线之间的距离。12 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文2.4 内燃机工作过程计算根据内燃机工作过程的理论分析，可以得到内燃机工作过程中的进气、压缩、膨胀做功和排气行程气缸内压力变化的计算公式：1) 吸气过程以进气终点的气体压力值作为整个进气过程中气缸内的气体压力。进气终点的气缸压力： = 0.85 0.95 ， 为标准大气压力。002)压缩过程+= ( )= ()压缩过程中任意点 x 的压力：压缩终点时的压力： =111其中 Va 为进气终点的气缸容积：=+22Vh 为活塞工作容积：=，其中 D 为气缸直径，R 为曲柄半径。其中 为压缩比。41Vc 为压缩终点气缸容积： =2=(1 ) 4 (1 2 ) + ，其中 L 为连杆长度，x为4曲轴任意时刻转角。n1 为多变压缩指数：高速柴油机在 1.381.42 之间。3) 燃烧膨胀过程最高爆发压力P = P ，其中为压缩升高比，在 1.72.2 之间。膨胀过程任意点 x 的zz气体压力= ()2，其中 为初期膨胀比取 1.11.7，n2 为平均多变膨胀指数取1.2，V 为 x 点的气缸容积，求法与 V 相同。bxcx膨胀终点的气体压力=，其中后期膨胀比 = 。24) 排气过程排气过程的气体压力接近大气压力,气缸内压力一般不大，且气门一直打开，可认为这一过程中气缸内压力按照线性关系变化，在计算程序中该行程压力变化用直线表示；对于待设计的内燃机，一般根据其工作环境的功率要求，确定其最高燃烧压力 。压缩始点 a 的压力 和体积 也是设计前确定的，故由1等于定值，就可以绘制压缩阶段的示功图。在做功行程膨胀点 Z 的压力 是根据设计要求确定的，故由2等于定值可绘制膨胀阶段的示功图。燃烧过程压力的变化由压缩终点气缸压力 和最高爆发压力13 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文二次插值绘制，排气行程压力变化由膨胀终点气缸压力 和压缩始点气缸压力 二次插值绘制。对上述计算公式分析知，要得到气缸压力 p 随曲轴转角 的变化关系曲线，必须确定：气缸体积 V 随曲轴转角的变化，即：R，L，N，D，e；压缩始点压力 和最大爆发压力 ；压缩多变指数 和膨胀多变指数 。12根据上面的分析，将这些设计任务确定的参数作为计算程序的原始变量，利用 C 语言进行编程计算（附录），得到的气体爆炸力曲线（图 2-4）。图2图 2-4 气体爆炸力曲线14 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文第三章 曲轴连杆活塞组件的虚拟样机对内燃机曲柄连杆机构在计算机中进行动力学仿真时，必须建立含有内燃机曲柄连杆机构质量特性的虚拟模型，但是一般动力学分析软件三维建模功能都比较弱，样机虚拟模型多采用专业的三维 CAD 软件创建，然后再利用专门的接口将 CAD 软件建立的虚拟样机转换到多刚体动力学分析软件中。目前，国内市场上流行的 CAD 软件很多，现在比较常用的有 CATIA、UG、I-DEAS 和 Pro/E 等，其中 I-DEAS 是基于变量的三维 CAD 软件，达索公司和 EDS 公司也分别推出了半参数半变量化的 CATIA 和 UG 的升级版。PTC 公司的Pro/E 是基于全参数化的三维设计软件，是用于设计分析和制造各种机械零件的软件，如今 PRO/E被广泛的运用于自动化、电子、航空航天、医疗器械、重型机械等多个领域。Pro/E 软件从诞生到现在已经历了 10 几年的发展历程技术上已经日益成熟，Pro/E 是优秀的三维 CAD/CAM/CAE 集成软件，在生产过程中能将设计、制造和工程分析 3 个环节有机的结合起来，使企业能够对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性和经济性等做出了迅速的反应，增强了企业的市场竞争能力。本文采用 Pro/Engineer wildfire2.0 版本作为三维造型软件，主要是因为本人比较熟悉该软件，而且它与多刚体动力学分析软件 ADAMS 可实现无缝连接。3.1 PRO/E 系统的建模原理及其特点PTC 公司突破了 CAD/CAM/CAE 的传统观念提出了参数化、特征建模和相关单一数据库的 CAD 设计思想。正是采用了这种独特的建模方式和设计思路，Pro/E 软件表现出了不同于一般 CAD 软件的优越建模特性。下面分别阐述这些设计思想。3.1.1 参数化设计参数化设计思想直接挑战传统模型设计思想。在参数化设计中，实体模型将取代线框模型和面模型，因为实体模型直观、真实，与生产中的产品非常接近。同时实体模型具有质量、体积、质心和重心等物理属性，可方便的对模型进行分析和制造等后继处理。尺寸驱动是参数化设计的重要特点。所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸来决定模型的形状一个模型由一组具有一定相互关系的尺寸进行定义。设计者修改尺寸参数后，经过再生处理即可获得新的模型形状，直观快捷。15 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文3.1.2 特征建模的基本思想特征是有实际工程意义的图元的高级抽象。对设计对象的形状、结构、装配及相互关系等进行合理抽象即可获得各种类型的特征，例如实体特征、曲面特征、圆孔特征、基准平面特征等。一个大型模型可以看成是由多个不同种类的特征按照一定方式组合生成的。相对于线框模型、面模型以及实体模型，特征造型是把一些复杂的操作屏蔽起来，设计者只需在绘制二维草图后通过旋转、拉伸、扫描等造型方法即可创建各类基础特征，然后在基础特征之上添加各类放置特征，如圆孔、倒角等，整个设计过程直观、简练。这样 Pro/E软件对使用者的要求降低了，软件也更容易掌握和普及。3.1.3 全相关的单一数据库Pro/E 系统建立在单一数据库基础上，这一点不同于大多数建立在多个数据库之上的传统 CAD 系统。所谓单一数据库，就是工程中的所有资料都来自同一个数据库，这样可以使不同部门的设计人员能够同时开发一个产品，实现协同工作。更为重要的是，采用全相关的单一数据库后，在设计中的任何一处的修改都将反映到整个设计的其他环节中。3.2 曲轴、连杆、活塞组件几何模型的建立以及装配CT484Q 柴油机曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴组等三大部件组成。其中活塞组包括活塞、活塞销、活塞环、挡圈等零件；连杆组包括连杆体、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓、连杆盖、套筒等；曲轴飞轮组包括曲轴、正时齿轮、飞轮、皮带轮飞轮螺母、螺栓等。3.2.1 活塞组件的建模3.2.1.1 活塞的特点分析活塞是复杂的机械零件，活塞主要有顶部、头部和裙部 3 部分组成。活塞是在高温、高压、高腐蚀的条件下、在气缸内做高速往复直线运动的。要适应这样恶劣的工作条件，必须具有相应的结构。(1)活塞的顶部直接与高压气体接触，工作条件最恶劣。顶部外表面设计成凹面形，以利于燃烧室内的气体形成涡流，使燃料与 混合得更均匀，燃烧的更充分。(2)在活塞的头部的外面有 4 道环形槽，上边 3 道环形槽为气环槽，下边的一条环形槽为油环槽。(3)活塞的裙部在活塞做直线运动时起导向作用。裙部顶端有两个往里凸起的销座。(4)活塞工作时在高温高压作用下，产生热变形和受力变形。所以活塞裙部的轴截面应16 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文成鼓形，活塞裙部的横截面应制成椭圆形。由于椭圆的长轴和短轴之间相差极小，所以三维建模时以圆形代替。3.2.1.2 活塞的建模思路及建模为了快速准确的创建活塞模型，先抽取活塞模型中的对称部分，由列表曲线创建活塞的 1/4 轮廓，然后镜像生成活塞的整个轮廓。在创建活塞的顶部凹槽特征。之后创建活塞头部的气环槽，最后创建各部分的倒圆角。活塞的主要建模思路如图 3-1 所示。创建 1/4 轮廓创建活塞销孔创建凸台修建裙部镜像成整个活塞17 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文创建顶部凹槽创建油孔及油环槽图 3-1 活塞的建模思路活塞裙部圆柱的母线可以通过偏移坐标系基点（图 3-2）建立的样条曲线得到。建立并装配好的活塞组件如图 3-3 所示。图 3-2 偏移坐标基准点18 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文图 3-3 活塞组件模型3.2.2 连杆组件的建模3.2.2.1 连杆的特点分析连杆由连杆体和连杆盖连部分组成。工作时用螺栓将连杆体、连杆盖和曲轴装配在一起，用活塞销将连杆小头和活塞装配在一起，连杆的主要作用是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。(1)连杆由两个相互垂直的对称面，一个对称面平行于连杆的圆环形端面，也就是锻造连杆毛坯的模具分型面；另一个对称面则通过两端圆孔的轴线。(2)连杆毛坯通过锻造成型，因此，连杆体和连杆都具有模锻斜度，包括连杆体上的槽和凸台。(3)连杆毛坯成型后，加工表面主要集中在两端面和孔，其他表面大多属于非加工表面。(4)连杆体和连杆盖属于配做的成对零件，需要同步加工，在装配和工作时没有互换性。3.2.2.2 连杆的建模思路连杆由连杆体和连杆盖组成，所以可以对连杆体和连杆盖分别建模，完成后进行装配。连杆具有两个互相垂直的对称面，建模过程中可以利用对称平面，对局部特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。连杆体的建模思路如图 3-4 所示。连杆组件装配模型如图 3-5 所示。19 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文拉伸创建连杆体 1/2 杆身创建连杆体大小头创建连杆体凹槽以及拔模镜像完成连杆体创建两侧凸台螺纹孔图 3-4 连杆体的主要建模思路20 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文图 3-5 连杆组件模型3.2.3 曲轴组件的建模