汽车曲柄连杆机构设计

摘要

本文以捷达EA113汽油机的相关参数作为参考，对四缸汽油机的曲柄连杆机构的主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。

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。其次分别对活塞组、连杆组以及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各零部件的几何模型，在此工作的基础上，利用Pro/E软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件、连杆组件和曲轴组件，然后利用Pro/E软件的机构分析模块(Pro/Mechanism)，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，进行运动学分析和动力学分析模拟，研究了在不考虑外力作用并使曲轴保持匀速转动的情况下，活塞和连杆的运动规律以及曲柄连杆机构的运动包络。仿真结果的分析表明，仿真结果与发动机的实际工作状况基本一致，文章介绍的仿真方法为曲柄连杆机构的选型、优化设计提供了一种新思路。

关键词：发动机；曲柄连杆机构；受力分析；仿真建模；运动分析；Pro/E

ABSTRACT

This article refers to by the Jeeta EA113 gasoline engine’s related parameter achievement, it has carried on the structural design compution for main parts of the crank link mechanism in the gasoline engine with four cylinders, and has carried on theoretical analysis and simulation analysis in computer in kinematics and dynamics for the crank link mechanism.

First, motion laws and stress in movement about the crank link mechanism are analyzed in detail and the precise analysis results are obtained. Next separately to the piston group, the linkage as well as the crank carries on the detailed structural design, and has carried on the structural strength and the rigidity examination. Once more, applys three-dimensional CAD software Pro/Engineer establishing the geometry models of all kinds of parts in the crank link mechanism, then useing the Pro/E software assembling function assembles the components of crank link into the piston module, the connecting rod module and the crank module, then using Pro/E software mechanism analysis module (Pro/Mechanism), establishes the multi-rigid dynamics model of the crank link, and carries on the kinematics analysis and the dynamics analysis simulation, and it studies the piston and the connecting rod movement rule as well as crank link motion gear movement envelopment. The analysis of simulation results shows that those simulation results are meet to true working state of engine. It also shows that the simulation method introduced here can offer a new efficient and convenient way for the mechanism choosing and optimized design of crank-connecting rod mechanism in engine.

Key words: Engine；Crankshaft-Connecting Rod Mechanism；Analysis of Force；Modeling of Simulation；Movement Analysis；Pro/E

目录

摘要.........................................................................................................................................I Abstract ................................................................................................................................ II 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 (1)

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 (4)

2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择 (4)

2.2 曲柄连杆机构运动学 (4)

2.1.1 活塞位移 (5)

2.1.2 活塞的速度 (6)

2.1.3 活塞的加速度 (6)

2.2 曲柄连杆机构中的作用力 (7)

2.2.1 气缸内工质的作用力 (7)

2.2.2 机构的惯性力 (7)

2.3 本章小结 (14)

第3章活塞组的设计 (15)

3.1 活塞的设计 (15)

3.1.1 活塞的工作条件和设计要求 (15)

3.1.2 活塞的材料 (16)

3.1.3 活塞头部的设计 (16)

3.1.4 活塞裙部的设计 (21)

3.2 活塞销的设计 (23)

3.2.1 活塞销的结构、材料 (23)

3.2.2 活塞销强度和刚度计算 (23)

3.3 活塞销座 (24)

3.3.1 活塞销座结构设计 (24)

3.3.2 验算比压力 (24)

3.4 活塞环设计及计算 (25)

3.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计 (25)

3.4.2 活塞环强度校核 (25)

3.5 本章小结 (26)

第4章连杆组的设计 (27)

4.1 连杆的设计 (27)

4.1.1 连杆的工作情况、设计要求和材料选用 (27)

4.1.2 连杆长度的确定 (27)

4.1.3 连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 (27)

4.1.4 连杆杆身的结构设计与强度计算 (30)

4.1.5 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算 (33)

4.2 连杆螺栓的设计 (35)

4.2.1 连杆螺栓的工作负荷与预紧力 (35)

4.2.2 连杆螺栓的屈服强度校核和疲劳计算 (35)

4.3 本章小结 (36)

第5章曲轴的设计 (37)

5.1 曲轴的结构型式和材料的选择 (37)

5.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 (37)

5.1.2 曲轴的结构型式 (37)

5.1.3 曲轴的材料 (37)

5.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 (38)

5.2.1 曲柄销的直径和长度 (38)

5.2.2 主轴颈的直径和长度 (38)

5.2.3 曲柄 (39)

5.2.4 平衡重 (39)

5.2.5 油孔的位置和尺寸 (40)

5.2.6 曲轴两端的结构 (40)

5.2.7 曲轴的止推 (40)

5.3 曲轴的疲劳强度校核 (41)

5.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩 (41)

5.3.2 名义应力的计算 (45)

5.4 本章小结 (47)

第6章曲柄连杆机构的创建 (48)

6.1 对Pro/E软件基本功能的介绍 (48)

6.2 活塞的创建 (48)

6.2.1 活塞的特点分析 (48)

6.2.2 活塞的建模思路 (48)

6.2.3 活塞的建模步骤 (49)

6.3 连杆的创建 (50)

6.3.1 连杆的特点分析 (50)

6.3.2 连杆的建模思路 (50)

6.3.3 连杆体的建模步骤 (51)

6.3.4 连杆盖的建模 (52)

6.4 曲轴的创建 (52)

6.4.1 曲轴的特点分析 (52)

6.4.2 曲轴的建模思路 (52)

6.4.3 曲轴的建模步骤 (53)

6.5 曲柄连杆机构其它零件的创建 (55)

6.5.1 活塞销的创建 (55)

6.5.2 活塞销卡环的创建 (55)

6.5.3 连杆小头衬套的创建 (55)

6.5.4 大头轴瓦的创建 (55)

6.5.5 连杆螺栓的创建 (56)

6.6 本章小结 (56)

第7章曲柄连杆机构运动分析 (57)

7.1 活塞及连杆的装配 (57)

7.1.1 组件装配的分析与思路 (57)

7.1.2 活塞组件装配步骤 (57)

7.1.3 连杆组件的装配步骤 (58)

7.2 定义曲轴连杆的连接 (59)

7.3 定义伺服电动机 (60)

7.4 建立运动分析 (60)

7.5 进行干涉检验与视频制作 (61)

7.6 获取分析结果 (62)

7.7 对结果的分析 (64)

7.8 本章小结 (64)

结论 (65)

参考文献 (66)

致谢 (67)

附录 (68)

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。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柄连杆机构设计的关键性问题[1]。

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。

为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。

1.2 国内外的研究现状

多刚体动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Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS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。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正[2]。目前国内大学和企

业已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据[3-4]。

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[5]。

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[6]。

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。

通过对机构运动学和动力学分析，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，大部分复杂的机构运动尽管能够给出解析式，却难以计算出供工程使用的计算结果，不得不用粗糙的图解法求得数据。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，从而形成机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。

机械系统动态仿真技术的核心是利用计算机辅助技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，进而确定系统及其及其各构件运动所需的作用力[5]。目前，在对内燃机曲柄连杆机构进行动力学分析时，大多采用的是专业的虚拟样机商业软件，如ADAMS等。这些软件的功能重点是在力学分析上，在建模方面还是有很多不足，尤其是对这些复杂的曲柄连杆机构零部件的三维建模很难实现。因而在其仿真分析过程中对于结构复杂的模型就要借助CAD软件来完成，如Pro/E、UG、Solidworks等[4]。当考虑到对多柔体系统进行动力学分析时，有时还需要结合Ansys等专业的有限元分析软件来进行[7]。这一过程十分复杂，不仅需要对这些软件有一定了解，还需要处理好软件接口之间的数据传输问题，而且软件使用成本也很高。

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。

第2章曲柄连杆机构受力分析

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[8]。

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