1、基于125cc摩托车风冷发动机曲柄连杆机构设计摘要： 本文以铃木GP125摩托车发动机的相关参数作为参考，对125cc摩托车风冷发动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校核分析与计算机仿真分析。本文分别对活塞组、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零件图与几何模型，装配成功后进行运动仿真。通过设计建模，校核以及运动仿真，得出的结论基本符合设计思路与理论值。完成了设计方案上的要求。关键词：曲柄连杆机构，受力分析，仿真建模，运动分析Des
2、ign of air engine crank connecting rod mechanism of motorcycleAbstract：Based on the related parameters Suzuki GP 125 motorcycle engin as a reference, The main components of air-cooled engine 125cc motorcycle crank linkage structural design calculations carried out, and carried out on the crank linka
3、ge theory about kinematics and dynamics analysis and computer simulation analysis check.This paper analysis the structural design on piston, connecting rod and crankshaft group, and the structural strength and rigidity check. Application of 3D CAD software: Pro/Engineer established the spare parts d
4、iagram and geometric model of the crank and connecting rod mechanism again, After the success of the assembly motion simulation and finite element simulation model.Through the design modeling，Check and movement simulation，Conclusion basic conform to the design thought and the theoretical value.Compl
5、eted the design requirements.Through the design modeling, check and motion simulation, conclusion basic conform to the design thought and the theoretical value. Completed the design requirements.Key word: Crank Mechanism，Stress Analysis，Simulation Modeling，Motion Analysis目 录1 绪论11.1 研究课题的目的和意义11.2 曲
6、柄连杆结构国内外研究现状11.3 设计研究的主要内容42 发动机结构参数与热力学计算52.1 发动机结构形式52.2 发动机主要结构参数计算52.3 热力学计算62.3.1 作出P-V图63 活塞组设计93.1 活塞设计93.1.1 活塞材料的选择93.1.2 活塞结构尺寸设计103.1.3 活塞与气缸的配合间隙133.1.4 活塞质量的估算133.1.5 活塞三维建模143.2 活塞环设计143.2.1 材料选择143.2.2 结构尺寸设计153.2.3 活塞环与环槽的装配间隙163.3 活塞销设计163.3.1 材料选择163.3.2 结构尺寸设计163.3.3 活塞销的配合间隙173.3
7、.4 活塞销三维建模173.4 卡簧设计173.4.1 材料选择173.4.2 结构尺寸设计183.4.3 卡簧与其接触零件的配合183.5 活塞组校核183.5.1 环岸校核183.5.2 活塞销强度和刚度计算204 连杆设计224 连杆设计224.1连杆材料的选择224.2 连杆结构尺寸设计224.2.1 连杆长度的确定224.2.2 连杆小头结构尺寸确定224.2.3 连杆杆身结构设计234.2.4 连杆大头结构设计244.2.5 连杆三维模型254.3 连杆滚针轴承的选用254.4 连杆大小头的装配公差254.5 连杆校核254.5.1 连杆小头校核254.5.2 连杆杆身强度校核33
8、4.5.3 连杆大头校核355 曲轴设计385.1 曲轴材料的选择385.2 曲轴结构尺寸设计385.2.1 曲柄臂厚度h的确定385.2.2 曲柄销结构尺寸的确定395.2.3 主轴颈尺寸的确定395.2.4 主轴其他尺寸细节395.2.5 曲轴装配模型405.3 曲柄销的配合公差405.4 曲轴校核415.4.1 曲轴的弯曲强度校核415.4.2 曲轴的扭转强度校核436 运动学计算以及基于PRO/E的运动仿真分析466.1 活塞位移分析466.1.1 活塞位移的理论分析466.1.2 活塞位移的仿真分析466.2 活塞速度分析476.2.1 活塞速度V的理论分析476.2.2 活塞速度V
9、的仿真分析486.3 活塞加速度分析486.3.1 活塞加速度a的理论分析486.3.2 活塞加速度a的仿真分析49总 结50参考文献51致 谢52II 1 绪论1.1 研究课题的目的和意义曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统，是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。从发动机实用性出发，对其曲柄连杆机构进行设计，在满足特定工况的疲劳强度和刚度条件下，达到良好的生产效益和经济效益1。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。但现今发动机曲柄连杆机构仍存在一些不足之处，有些结构强度远大于实际工况下所承载的强度，而也有一些低于实际工况下的承载强度。
10、前者造成了不必要的材料浪费，加大了生产成本，降低了经济效益；后者引起发动机寿命降低，有时会引发事故。因此在设计过程中保证曲柄连杆机构具有足够的疲劳强度和刚度且达到最大经济效益成为曲柄连杆机构设计的关键性问题2。在本次设计中，125cc摩托车风冷发发动机曲柄连杆机构为例，通过具体给定的参数来确定其曲柄连杆机构的总体结构，同时进行强度、刚度等方面的校核计算以及运动仿真，根据计算结果选取适当的材料，做到材料既不浪费又能满足实际使用性能的需求，获得良好的生产经济效益。1.2 曲柄连杆结构国内外研究现状 曲柄连杆机构是发动机中直接将燃油的化学能转化为机械能的运动机构，它将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运
11、动，并通过曲轴输出发动机的功率，是发动机最主要的运动机构3。曲柄连杆机构包括连杆组、活塞组及曲轴组三部分。（1）连杆组的研究现状 连杆的计算分析在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出后，迅速在连杆分析上得到广泛应用。连杆的有限元分析模型从最早的曲梁模型，到20世纪七八十年代的平面连续模型，再到90年代至今的三维实体模型。近年来，国内外许多学者对内燃机连杆的有限元分析进行了大量的研究，归纳起来主要是以下几个方面：有限强度应力分析、动响应分析、可靠性分析和优化分析。 连杆应力有限元静态分析。如果连杆强度不够会出现断裂，刚度不足就会使大头孔变形失圆，使大头轴承润滑条件受到破坏，导致轴承发热而烧损
12、。常规的计算方法是对连杆小头、杆身和大头分别按均匀平面曲梁和直梁计算，由于没有考虑截面的变化以及载荷和计算公式的简化，计算精度较差。20世纪80年代末到90年代初采用常单元插值、线性单元插值、和边界元等方法对连杆进行平面应力应变分析。王明武等在摄动随机有限元法分析连杆应力方面进行了深入的研究。岳东鹏等对杆在静态计算中的边界条件和载荷进行了更加符合实际的处理。 连杆的动响应分析4。动响应分析是利用 MSC.Adams 软件，对连杆进行仿真运算，到连杆的动响应特性，它推动了连杆由传统静态设计向动态设计的发展。 连杆的可靠性分析。连杆的可靠性设计是根据已知载荷和材料强度，运用概率统计理论，确定连杆的
13、可靠度，把连杆失效的发生控制在可接受的水平。连杆的可靠度一般要求达到0.9995以上。掌握连杆在实际工况下的可靠性必须具有3个条件：根据疲劳试验得到的连杆疲劳强度概率分布规律；连杆实际工况下工作载荷的概率分布规律；工作载荷与疲劳强度相联系的统计分析方法。连杆可靠性分析的影响因素众多，并且许多现象和机理还缺乏详细的研究。 连杆的优化设计4。如果连杆设计不合理，使用中会出现应力集中现象或者局部强度或刚度不足，导致连杆失效。同时,为满足在保证足够的强度、刚度和稳定性条件下，尽可能达到质量轻、体积小、形状合理的设计要求，有必要对杆进行优化设计。连杆的优化设计已由广泛的二维结构优化设计向三维优化设计过渡
14、，由局部结构的优化设计向整体结构的优化设计过渡。对连杆进行优化设计，关键是要选取适合的有限元方法和效率高的优化算法以及选取适当数目的优化设计变量。（2）活塞组的研究现状 目前内燃机活塞组的传热研究分为稳态传热和瞬态传热两种方法。无论采用哪种方法，活塞组件间边界条件的确定都是其研究的关键。早期的研究中，大多采用单件模型的有限元分析，活塞组传热的研究多以稳态传热方法为主。这些方法仅仅通过一些假设条件来解释问题，其结果不具有太大的实用价值。单件模型向耦合模型发展。单件研究方法只能以假定的燃烧室壁面平均温度为边界条件，给热平衡计算带来误差。近年来，耦合模型开始出现在国内外内燃机的课题研究中，其中对活塞
15、组部分的研究尤为突出，国内也对耦合模型进行了尝试。物理场耦合方法是部分专家在对内燃机部件内部工作环境作深入研究时提出的一种新方法。目前，国外大都采用CFD和FEA耦合的方法进行活塞组等内燃机部件的传热研究。李兵等分析了活塞在温度和机械载荷作用下的应力和变形。稳态传热研究转向瞬态传热研究。活塞组的热传导分析过程中，稳态传热的方法因计算简便得到了广泛应用。在计算此类边界条件时，通常采用第3类边界条件进行计算。与稳态方法相比，瞬态热传导分析具有更高的可信度，也与实际情况更为贴近。瞬态热传导问题在国外一直是内燃机研究的中心课题。（3）曲轴组的研究现状 由于曲轴几何形状、边界条件和载荷极其复杂，在60年代以前很长一段时间内，人们主要用实验手段来研究曲轴的强度。主要用实验手段来研究曲轴的强度。而对曲轴的计算常用方法有两种：简支梁法和连续梁法18，因此，计算精度很低，基本上满足不了设计需要。 随着计算机和计算力学的飞速发展，最近30多年来曲轴的计算方法有了极大的改善，计算精度有了较大的
