1、发动机曲柄连杆机构建模与仿真摘要:以桑塔纳2000AJR型发动机为例，基于相关参数对发动机曲柄连杆机构主要零部件进行结构设计计算，同时进行强度、刚度等方面的校核，并进行相关运动学分析和机构运动仿真分析，以达到良好的生产经济效益。目前国内外对发动机曲柄连杆机构的设计,建模与分析的方法很多，而且已经完善和成熟，但仍缺乏一种基于良好生产效益、经济效益上的综合性分析，本次设计在清晰、全面剖析的基础上，有机地将各研究模块联系起来，达到既简便又清晰的设计目的，力求为发动机曲柄连杆机构的设计提供一种综合全面的思路。关键词：发动机曲柄连杆机构,机构设计, ProEngineer,AutoCADMODELING
2、 AND SIMULATION OFCRANKSHAFT IN THE ENGINEAbstract: Santana 2000AJR engine, for example, based on the relevant parameters of the engine crank linkage main components structural design calculations, while the strength, stiffness and other aspects of the check, and associated institutions kinematic an
3、alysis and motion simulation analysis to achieve good production value for money.At present method design, modeling and analysis of domestic and foreign engine crank linkage of many, and has perfect and mature, but still lacks a good production efficiency based on comprehensive analysis of the econo
4、mic benefits of this design in a clear, on the basis of comprehensive analysis, organically linked to each research module, to achieve both simple and clear design purpose, strive to design the engine crank linkage provides a comprehensive idea.Keyword: Engine crank linkage,MechanismDesign,Pro/Engin
5、eer,AutoCAD目 录1绪论11.1国内外发展现状11.2 研究的目的及意义11.3研究的主要内容22总体方案的设计32.1原始参数的选定32.2原理性方案设计42.3 结构性方案设计52.4 设计方案的确定53曲柄连杆机构受力分析83.1曲柄连杆机构运动学83.1.1 活塞位移83.1.2 活塞的速度93.1.3 活塞的加速度93.2 曲柄连杆机构中的作用力103.2.1 气缸内工质的作用力104活塞组的设计114.1 活塞体的设计114.1.1 活塞的工作条件和设计要求114.1.2 活塞的材料124.1.3 活塞头部的设计134.1.4 活塞裙部的设计164.2 活塞销的设计194
6、.2.1 活塞销的结构、材料194.2.2 活塞销强度和刚度计算194.3 活塞销座204.3.1 活塞销座结构设计204.3.2 验算比压力214.4 活塞环设计及计算214.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计214.4.2 活塞环强度校核215连杆组的设计245.1连杆组的工况、基本设计要求与材料选择245.1.1、连杆组工作情况245.1.2、连杆组设计要求245.1.3、连杆组材料的选择245.2连杆结构与尺寸的确定与校核255.2.1 连杆长度的确定255.2.2连杆小头的结构设计与强度、刚度计算255.2.3 连杆杆身的结构设计与强度计算285.2.4 连杆大头的结构设计与强度、刚度
7、计算316曲轴的设计346.1 曲轴的结构型式和材料的选择346.1.1 曲轴的工作条件和设计要求346.1.2 曲轴的结构型式346.1.3 曲轴的材料356.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计366.2.1 曲柄销的直径和长度366.2.2 主轴颈的直径和长度366.2.3 曲柄的设计376.2.4平衡块376.2.5 油道的布置与油孔的位置和尺寸376.2.6 曲轴两端的结构386.2.7 曲轴的止推386.3 曲轴的疲劳强度校核396.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩396.3.2 名义应力的计算44结论46参考文献47致谢48III1绪论1.1 国内外发展现状目前，应用最广、数
8、量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机多用于轿车和轻型客货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。少数轿车和轻型客货车发动机也有用柴油机的。还有一种知名度很高，但应用很少的发动机，即三角活塞旋转式发动机，也叫转子式发动机14。发动机曲柄连杆机构无论在国内还是在国外三大组成部分还是没有变，现在还是应用于内燃机领域，曲柄连杆机构从数量方面来说，会朝着多连杆机构方向发展；从材料方面看，车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。至于新的发展趋势，曲轴应该是材料方面的改进，比如碳材质的，高速、高效加工在曲轴制造业已有相当程度的应用，并成为主要发展方向，相信曲轴制造技术在将来会有更
9、新、更快的发展。从汽车发动机连杆的发展趋向可看出：（1）就连杆的使用性能与生产成本来看，C70 钢锤锻连杆和铁基粉末锻造连杆已日趋接近，市场竞争将白热化。（2）温压连杆的生产成本最低，至于使用性能汽车制造厂家能否接受尚待观察。毫无疑问，温压连杆一旦得到汽车制造厂家认可，将很快进入市场。（3）铝基粉末锻造连杆若开发成功，一定会对汽车发动机的设计产生重大冲击，值得关注。（4）从连杆的生产开展历程可看出，粉末冶金零件的开发与应用，和汽车制造业所追求的轻量化、改进零件性能、降低生产成本、保护环境等目标息息相关。因此，汽车制造业对粉末冶金零件的生产与发展应给予足够重视。1.2 研究的目的及意义曲柄连杆机
10、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
11、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。1.3研究的主要内容以桑塔纳2000AJR型发动机为例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）分析曲柄
12、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，并编写出设计计算说明书以便了解其设计过程；（2）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；（3）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。 2总体方案的设计2.1原始参数的选定表2.1 桑塔纳200
13、0AJR型发动机主要性能参数气缸排列方式直列四缸供油方式电控燃油喷射排量/L1.781缸径/mm81.0冲程（行程）/mm86.4冲程/缸径1.0666连杆长/mm144曲轴半径/mm43.2转矩N.m/r/min150/1300曲轴轴承座5压缩比9.5额定功率/kW74(5200 r/min)最大扭矩/(Nm)155(3800 r/min)点火顺序1342表2.2四缸机工作循环表曲轴转角（）第一缸第二缸第三缸第四缸0180做功排气压缩进气180360排气进气做功压缩360540进气压缩排气做功540720压缩做功进气排气2.2原理性方案设计曲柄连杆机构是发动机中的动力传递系统，是发动机实现工
14、作循环，完成能量转换的主要运动部分。由机体组:气缸体、气缸盖、曲轴箱体、气缸套、气缸垫；活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆大头盖；曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、曲轴正时齿轮三大部分组成。工作原理就是：燃料爆燃后的能量推动活塞上下运动，再由连杆带动曲轴作圆周运动。为了吸入新鲜空气和排除废气，设有进、排气系统等。活塞往复运动时，其顶面从一个方向转为相反方向的转变点的位置称为止点。活塞顶面离曲轴中心线最远时的止点，称为上止点，活塞顶面离曲轴中心线最近时的止点称为下止点，活塞运行的上、下两个止点之间的距离s称为活塞行程。曲轴与连杆下端的连接中心至曲轴中心的垂直距离称为曲柄半径。四冲程发动机的工作循
15、环包括四个活塞行程：进气行程、压缩冲程、作功行程、和排气行程。进气行程：汽油机将空气与燃料先在气缸的外部的化油器中、节气门体处或进气道内进行混合，形成可燃混合气后被吸入气缸。压缩行程：为使吸入气缸的可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小，密度加大，温度升高，故需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程，称为压缩行程，压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比。作功行程：在这个行程中，进、排气门关闭，当活塞接近上止点时，装在气缸体(或气缸盖)上的火化塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。排气行程：可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个工作循环，当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气
