曲柄连杆设计分析

1、 工程软件技能训练课程设计说明书 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 工程软件技能训练课程设计任务书学生姓名院系专业、班级指导教师姓名职称从事专业是否外聘是否题目名称曲柄连杆机构设计设计内容： 学会利用AutoCAD、UG及ANSYS等工程应用软件对汽车零部件进行设计和分析，为将来的工程实际应用打下基础。自选某品牌轿车发动机的曲轴活塞连杆组进行设计，要求对曲轴活塞连杆组进行设计和校核计算，利用UG软件完成三维设计及装配，利用ANSYS软件对曲轴、活塞及连杆进行静力学分析，并最终利用AutoCAD软件完成二维总装配图A1一张，曲轴、活塞及连杆的零件图A2三张。设计完成后应提

2、交的成果：1、设计说明书1份，字数为3000字以上，主体包括绪论、零部件的结构设计及校核计算、UG三维设计及装配、ANSYS有限元分析。2、二维总装配图1张，A1大小，零件图3张，A2大小； 目录第1章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 国内外的研究现状11.3 设计研究的主要内容1第2章 活塞组的设计22.1 活塞的设计22.2 活塞销的设计53.3 活塞销座53.4 活塞环设计5第3章 连杆组的设计64.1 连杆的设计64.2 连杆螺栓的设计9第4章 曲轴的设计10第5章 曲柄连杆机构的创建105.1 活塞的创建105.2 连杆的创建115.3 曲轴的创建12第6章 曲柄连杆机构13

3、第7章 ANSYS分析14结论15参考文献15第1章 绪论1.1 选题的目的和意义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。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。1.2 国内外的研究现状多刚体动

4、力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，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，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有CAD、CATIA、ANSYS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。1.3 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

5、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CATIA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；第2章 活塞组的设计2.1 活塞的设计2.1.1 活塞头部的设计1、压缩高度的确定活塞压缩高度的选取

6、将直接影响发动机的总高度，以及气缸套、机体的尺寸和质量。尽量降低活塞压缩高度是现代发动机活塞设计的一个重要原则，压缩高度是由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸构成的，即=+ 为了降低压缩高度，保证强度的基础上尽量压缩环岸、环槽的高度及销孔的直径。（1）第一环位置根据活塞环的布置确定活塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度。为缩小，当然希望尽可能小，火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般汽油机，为活塞直径，该发动机的活塞标准直径，确定火力岸高度为：取=9（2）环带高度 为减小活塞高度，活塞环槽轴向高度应尽可能小，这样活塞环惯性力也小，会减轻对环槽

7、侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高，油环高。该发动机采用三道活塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称之为油环。取，。环岸的高度，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际发动机的统计表明，汽油机接近下限。则 ， 。因此，环带高度。（3）上裙尺寸对于汽油机，所以。则 。2、活塞顶和环带断面（1）活塞顶活塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。仅从活塞设计角度，为了减轻活塞组的热负荷和应力集中，希望采用受

8、热面积最小、加工最简单的活塞顶形状，即平顶。大多数汽油机正是采用平顶活塞，由于EA113 5V 1.6L发动机为高压缩比，因而采用近似于平顶的活塞。实际统计数据表明，活塞顶部最小厚度，汽油机为，即取6。活塞头部要安装活塞环，侧壁必须加厚，一般取，取为6.16mm，取6.活塞顶与侧壁之间应该采用较大的过渡圆角，一般取，取0.074为5.993mm.取6.为了减少积炭和受热，活塞顶表面应光洁，在个别情况下甚至抛光。复杂形状的活塞顶要特别注意避免尖角，所有尖角均应仔细修圆，以免在高温下熔化。（2）环带断面为了保证高热负荷活塞的环带有足够的壁厚使导热良好，不让热量过多地集中在最高一环，其平均值为。正确

9、设计环槽断面和选择环与环槽的配合间隙，对于环和环槽工作的可靠性与耐久性十分重要。槽底圆角一般为0.20.5mm。活塞环岸锐边必须有适当的倒角，否则当岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把活塞环卡住，成为严重漏气和过热的原因，但倒角过大又使活塞环漏气增加。一般该倒角为。（3）环岸和环槽第一环与环槽侧隙一般为0.050.1mm，二、三环适当小些，为0.030.07mm，油环则更小些，这有利于活塞环工作稳定和降低机油消耗量，侧隙确定油环槽中必须设有回油孔，并均匀地布置再主次推力面侧，回油孔对降低机油消耗量有重要意义，三道活塞环的开口间隙及侧隙如表2.1所示:表2.1 活塞环的开口间隙及侧隙活塞环开口间隙

10、/侧隙/第一道环第二道环第三道环活塞环的背隙比较大，以免环与槽底圆角干涉。一般气环=0.5毫米，油环的则更大些，如图2.1所示。2.1.2 活塞裙部的设计把活塞裙部的横断面设计成与裙部变形相适应的形状。在设计时把裙部横断截面制成长轴是在垂直与活塞销中心线方向上，短轴平行于销轴方向的椭圆形。常用的椭圆形状是按下列公式设计的： （3.4）式中、分别为椭圆的长短轴，如图2.3所示。缸径小于的裙部开槽的活塞，椭圆度（）的大小，一般为。图2.3 活塞销裙部的椭圆形状91、裙部的尺寸活塞裙部是侧压力的主要承担者。为保证活塞裙表面能保持住必要厚度的润滑油膜，其表面比压不应超过一定的数值。因此，在决定活塞裙部

11、长度是应保持足够的承压面积，以减少比压和磨损。 （3.5）式中：最大侧作用力，由动力计算求得，=2410.83活塞直径，；裙部高度，。取，取38。则 一般发动机活塞裙部比压值约为，所以设计合适。2、销孔的位置活塞销与活塞裙轴线不相交，而是向承受膨胀侧压力的一面（称为主推力面，相对的一面称为次推力面）偏移了，这是因为，如果活塞销中心布置，即销轴线与活塞轴线相交，则在活塞越过上止点，侧压力作用方向改变时，活塞从次推力面贴紧气缸壁的一面突然整个地横扫过来变到主推力面贴紧气缸壁的另一面，与气缸发生“拍击”，产生噪音，有损活塞耐久性。2.2 活塞销的设计活塞销的结构和尺寸活塞销的结构为一圆柱体，中空形式

12、，可减少往复惯性质量，有效利用材料。活塞销与活塞销座和连杆小头衬套孔的连接配合，采用“全浮式”。活塞销的外直径，取，活塞销的内直径，取活塞销长度，取取652.3 活塞销座活塞销座的内径，活塞销座外径一般等于内径的倍，取，取32活塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销销座系统的工作越可靠，所以，一般设计成连杆小头与活塞销座开挡之间的间隙为，但当制造精度有保证时，两边共就足够了，取间隙为。2.4 活塞环设计该发动机采用三道活塞环，第一和第二环为气环，第三环为油环。活塞环的主要尺寸为环的高度、环的径向厚度。气环，油环，取，。活塞环的径向厚度，一般推荐值为：当缸径为时，取。取5第3章 连杆组的设计

13、3.1 连杆的设计3.1.1 连杆长度的确定 设计连杆时首先要确定连杆大小头孔间的距离，即连杆长度它通常是用连杆比来说明的，通常0.3125，取，则。3.1.2 连杆小头的结构设计1、连杆小头的结构设计连杆小头主要结构尺寸如图4.1所示，小头衬套内径和小头宽度已在活塞组设计中确定，。为了改善磨损，小头孔中以一定过盈量压入耐磨衬套，衬套大多用耐磨锡青铜铸造，这种衬套的厚度一般为，取，则小头孔直径，小头外径，取。2、连杆小头的强度校核图3.1 连杆小头主要结果尺寸（1）衬套过盈配合的预紧力及温度升高引起的应力计算时把连杆小头和衬套当作两个过盈配合的圆筒，则在两零件的配合表面，由于压入过盈及受热膨胀

14、，小头所受的径向压力为： （4.1）由径向均布力引起小头外侧及内侧纤维上的应力，可按厚壁筒公式计算，外表面应力 内表面应力 的允许值一般为，校核合格。3.1.3 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从弯曲刚度和锻造工艺性考虑，采用工字形断面，杆身截面宽度约等于(为气缸直径)，取，截面高度，取。为使连杆从小头到大头传力比较均匀，在杆身到小头和大头的过渡处用足够大的圆角半径。2、连杆杆身的强度校核（1）最大拉伸应力由最大拉伸力引起的拉伸应力为： 式中：连杆杆身的断面面积，汽油机，为活塞投影面积，取。则最大拉伸应力为： （2）杆身的压缩与纵向弯曲应力杆身承受的压缩力最大值发生在

15、做功行程中最大燃气作用力时，并可认为是在上止点，最大压缩力为： 连杆承受最大压缩力时，杆身中间断面产生纵向弯曲。此时连杆在摆动平面内的弯曲，可认为连杆两端为铰支，长度为；在垂直摆动平面内的弯曲可认为杆身两端为固定支点，长度为，因此在摆动平面内的合成应力为： 式中：系数，对于常用钢材，取；计算断面对垂直于摆动平面的轴线的惯性矩，。 ；将式改为： 式中 连杆系数，；则摆动平面内的合成应力为：同理，在垂直于摆动平面内的合成应力为： 将式（4.10）改成 式中：连杆系数，。则在垂直于摆动平面内的合成应力为： 和的许用值为 ，所以校核合格。3.1.4 连杆大头的结构设计1、连杆大头的结构设计与主要尺寸连

16、杆大头的结构与尺寸基本上决定于曲柄销直径、长度、连杆轴瓦厚度和连杆螺栓直径。其中在、在曲轴设计中确定，则大头宽度，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，取，取，为了提高连杆大头结构刚度和紧凑性，连杆螺栓孔间距离，取，一般螺栓孔外侧壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓头支承面到杆身或大头盖的过渡采用尽可能大的圆角。3.2 连杆螺栓的设计根据气缸直径初选连杆螺纹直径，根据统计，取。连杆上的螺栓数目为2，则每个螺栓承受的最大拉伸载荷为往复惯性力和旋转惯性力在气缸中心线上的分力之和，即 （4.19）轴瓦过盈量所必须具有的预紧力由轴瓦最小应力，由实测统计可得一般为，取3

17、0，由于发动机可能超速，也可能发生活塞拉缸，应较理论计算值大些，一般取，取。第4章 曲轴的设计1 曲柄销的直径和长度 首先是确定曲柄销的直径。在现代发动机设计中，一般趋向于采用较大的值，曲柄销加粗伴随着连杆大头加大，使不平衡旋转质量的离心力增大，随曲轴及轴承的工作带来不利，对于汽油机，为气缸直径，已知=80.985，则，曲柄销直径取为=0.60=47.80。曲柄销的长度是在选定的基础上考虑的。从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作能力出发，应使控制在一定范围内，同时注意曲拐各部分尺寸协调，根据统计/=，取=0.59=28。2 主轴颈的直径和长度从曲轴各部分尺寸协调的观点，建议取，取=1.13=54。

18、据统计，取=0.31=25.11，取26。3 曲柄曲柄的宽度，取，取80，厚度，取,取18。曲柄臂以凸肩接主轴颈和曲柄销。凸肩的厚度根据曲轴加工工艺决定。全加工曲轴的只有0.51，取=1。曲柄销和主轴颈至曲柄臂凸肩的过渡圆角对应力集中程度影响最大，加大圆角半径可使圆角应力峰值降低，至少不能小于0.05或2.5，取=3。第5章 曲柄连杆机构的创建运用CATIA软件分别对曲柄连杆机构的各个零件进行模型的建立，步骤如下：5.1 活塞的创建1、创建活塞轮廓2、创建活塞销座、5.2 连杆的创建1、 创建连杆体杆身、连杆体大小头2、创建连杆体两侧凸台、两侧凸台螺纹孔 5.3 曲轴的创建1、 创建平衡块、主

19、轴颈、曲拐2、 曲轴曲拐部分的镜像3、 创建曲轴两端特征第6章 曲柄连杆机构活塞及连杆的装配1、向组件中添加连杆体2、向组件中添加连杆衬套选择“插入”选项，将连杆衬套的外侧圆柱面以连杆体的小端面以插入的方式相配合。3、向组件中添加连杆轴瓦（1）选择“对齐”选项，“偏移”为“重合”，并选择相重合的平面，然后【反向】。（2）选择“约束类型”为“插入”，选取轴瓦的外侧圆柱面和连杆体的大端孔内侧圆柱面，使这两个曲面以插入的方式相配合。 （3）同样的方法完成另一块连杆轴瓦的装配。4、向组件中添加连杆盖5、向组件中添加连杆螺栓6、向组件中添加曲轴选择“用户定义”为“销钉”选项，分别通过【轴对齐】、【平移】，分别选取对应的轴和面，使其相匹配，选取完成曲轴的连接。 7、向组件中添加连杆组件运用【添加元件】，“插入”已创建好的连杆组件，选择“销钉”选项，分别选取连杆组件和曲轴的对应面，通过【轴对齐】