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（全套CAD）汽車曲柄連桿機構設計

塞位移假設在時刻，曲柄轉角為，并按順時針方向旋轉，連桿軸線在其運動平面內偏離氣缸軸線的角度為，如圖.所示。當時，活塞銷中心在最上面的位置，此位置稱為上止點。當時，點在最下面的位置，此位置稱為下止點。此時活塞的位移為.式中連桿比。式.可進步簡化，由圖.可以看出即又由于.將式.帶入式.得.式.是計算活塞位移的精確公式,為便于計算，可將式.中的根號按牛頓二項式定理展開，得考慮到∕，其二次方以上的數值很小，可以忽略不計。只保留前兩項，則.將式.帶入式.得.活塞的速度將活塞位移公式.對時間進行微分，即可求得活塞速度的精確值為.將式.對時間微分，便可求得活塞速度得近似公式為.從式.可以看出，活塞速度可視為由與兩部分簡諧運動所組成。當或時，活塞速度為零，活塞在這兩點改變運動方向。當時此時活塞得速度等于曲柄銷中心的圓周速度?；钊募铀俣葘⑹?對時間微分，可求得活塞加速度的精確值為.將式.對時間為微分，可求得活塞加速度的近似值為.因此，活塞加速度也可以視為兩個簡諧運動加速度之和，即由與兩部分組成。.曲柄連桿機構中的作用力作用于曲柄連桿機構的力分為缸內氣壓力運動質量的慣性力摩擦阻力和作用在發動機曲軸上的負載阻力。由于摩擦力的數值較小且變化規律很難掌握，受力分析時把摩擦阻力忽略不計。而負載阻力與主動力處于平衡狀態，無需另外計算，因此主要研究氣壓力和運動質量慣性力變化規律對機構構件的作用。計算過程中所需的相關數據參照汽油機，如附表所示。氣缸內工質的作用力作用在活塞上的氣體作用力等于活塞上下兩面的空間內氣體壓力差與活塞頂面積的乘積，即.式中活塞上的氣體作用力，缸內絕對壓力，大氣壓力，活塞直徑，。由于活塞直徑是定的，活塞上的氣體作用力取決于活塞上下兩面的空間內氣體壓力差，對于四沖程發動機來說，般取.對于缸內絕對壓力，在發動機的四個沖程中，計算結果如表.所示則由式.計算氣壓力如表.所示。機構的慣性力慣性力是由于運動不均勻而產生的，為了確定機構的慣性力，必須先知道其加速度和質量的分布。加速度從運動學中已經知道，現在需要知道質量分布。實際機構質量分布很復雜，必須加以簡化。為此進行質量換算。機構運動件的質量換算質量換算的原則是保持系統的動力學等效性。質量換算的目的是計算零件的運動質量，以便進步計算它們在運動中所產生的慣性力。表.缸內絕對壓力計算結果四個沖程終點壓力計算公式計算結果進氣終點壓力.壓縮終點壓力.膨脹終點壓力.排氣終點壓力.注平均壓縮指數，壓縮比，.平均膨脹指數，最大爆發壓力取.此時壓力角，取。表.氣壓力計算結果四個沖程進氣終點.壓縮終點.膨脹終點.排氣終點.連桿質量的換算連桿是做復雜平面運動的零件。為了方便計算，將整個連桿包括有關附屬零件的質量用兩個換算質量和來代換，并假設是集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復運動的質量是集中作用在連桿大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉運動的質量，如圖.所示圖.連桿質量的換算簡圖為了保證代換后的質量系統與原來的質量系統在力學上等效，必須滿足下列三個條件連桿總質量不變，即。連桿重心的位置不變，即。連桿相對重心的轉動慣量不變，即。其中，連桿長度，為連桿重心至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公式用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置。將連桿分成若干簡單的幾何圖形，分別計算出各段連桿重量和它的重心位置，再按照索多邊形作圖法，求出整個連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量和，如圖.所示圖.汽車,曲柄,連桿機構,設計,畢業設計,全套,圖紙摘要本文以捷達汽油機的相關參數作為參考，對四缸汽油機的曲柄連桿機構的主要零部件進行了結構設計計算，并對曲柄連桿機構進行了有關運動學和動力學的理論分析與計算機仿真分析。首先，以運動學和動力學的理論知識為依據，對曲柄連桿機構的運動規律以及在運動中的受力等問題進行詳盡的分析，并得到了精確的分析結果。其次分別對活塞組連桿組以及曲軸進行詳細的結構設計，并進行了結構強度和剛度的校核。再次，應用三維軟件建立了曲柄連桿機構各零部件的幾何模型，在此工作的基礎上，利用軟件的裝配功能，將曲柄連桿機構的各組成零件裝配成活塞組件連桿組件和曲軸組件，然后利用軟件的機構分析模塊，建立曲柄連桿機構的多剛體動力學模型，進行運動學分析和動力學分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉動的情況下，活塞和連桿的運動規律以及曲柄連桿機構的運動包絡。仿真結果的分析表明，仿真結果與發動機的實際工作狀況基本致，文章介紹的仿真方法為曲柄連桿機構的選型優化設計提供了種新思路。關鍵詞發動機曲柄連桿機構受力分析仿真建模運動分析思路連桿體的建模步驟連桿蓋的建模.曲軸的創建曲軸的特點分析曲軸的建模思路曲軸的建模步驟.曲柄連桿機構其它零件的創建活塞銷的創建活塞銷卡環的創建連桿小頭襯套的創建大頭軸瓦的創建連桿螺栓的創建.本章小結第章曲柄連桿機構運動分析.活塞及連桿的裝配組件裝配的分析與思路活塞組件裝配步驟連桿組件的裝配步驟.定義曲軸連桿的連接.定義伺服電動機.建立運動分析.進行干涉檢驗與視頻制作.獲取分析結果.對結果的分析.本章小結結論參考文獻致謝附錄第章緒論.選題的目的和意義曲柄連桿機構是發動機的傳遞運動和動力的機構，通過它把活塞的往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動而輸出動力。因此，曲柄連桿機構是發動機中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發動機工作的可靠性。隨著發動機強化指標的不斷提高，機構的工作條件更加復雜。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設計過程中保證機構具有足夠的疲勞強度和剛度及良好的動靜態力學特性成為曲柄連桿機構設計的關鍵性問題。通過設計，確定發動機曲柄連桿機構的總體結構和零部件結構，包括必要的結構尺寸確定運動學和動力學分析材料的選取等，以滿足實際生產的需要。在傳統的設計模式中，為了滿足設計的需要須進行大量的數值計算，同時為了滿足產品的使用性能，須進行強度剛度穩定性及可靠性等方面的設計和校核計算，同時要滿足校核計算，還需要對曲柄連桿機構進行動力學分析。為了真實全面地了解機構在實際運行工況下的力學特性，本文采用了多體動力學仿真技術，針對機構進行了實時的，高精度的動力學響應分析與計算，因此本研究所采用的高效實時分析技術對提高分析精度，提高設計水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機構在運行過程中的受力狀態，便于進行精確計算，對進步研究發動機的平衡與振動發動機增壓的改造等均有較為實用的應用價值。.國內外的研究現狀多剛體動力學模擬是近十年發展起來的機械計算機模擬技術，提供了在設計過程中對設計方案進行分析和優化的有效手段，在機械設計領域獲得越來越廣泛的應用。它是利用計算機建造的模型對實際系統進行實驗研究，將分析的方法用于模擬實驗，充分利用已有的基本物理原理，采用與實際物理系統實驗相似的研究方法，在計算機上運行仿真實驗。目前多剛體動力學模擬軟件主要有等。多剛體動力學模擬軟件的最大優點在于分析過程中無需編寫復雜仿真程序，在產品的設計分析時無需進行樣機的生產和試驗。對內燃機產品的部件裝配進行機構運動仿真，可校核部件運動軌跡，及時發現運動干涉對部件裝配進行動力學仿真，可校核機構受力情況根據機構運動約束及保證性能最優的目標進行機構設計優化，可最大限度地滿足性能要求，對設計提供指導和修正。目前國內大學和企業已經已進行了機構運動動力學仿真方面的研究和局部應用，能在設計初期及時發現內燃機曲柄連桿機構干涉，校核配氣機構運動動力學性能等，為設計人員提供了基本的設計依據。目前國內外對發動機曲柄連桿機構的動力學分析的方法很多，而且已經完善和成熟。其中機構運動學分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動，即位移速度和加速度的變化關系動力學則是研究產生運動的力。發動機曲柄連桿機構的動力學分析主要包括氣體力慣性力軸承力和曲軸轉矩等的分析，傳統的內燃機工作機構動力學運動學分析方法主要有圖解法和解析法。解析法解析法是對構件逐個列出方程，通過各個構件之間的聯立線性方程組來求解運動副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法直角坐標法等。圖解法圖解法形象比較直觀，機構各組成部分的位移速度加速度以及所受力的大小及改變趨勢均能通過圖解目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對計算機結果的判斷和選擇。解析法取點數值較少，繪制曲線精度不高。不經任何計算，對曲柄連桿機構直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復雜。的選擇曲軸的工作條件和設計要求曲軸是在不斷周期性變化的氣體壓力往復和旋轉運動質量的慣性力以及它們的力矩作用下工作的，使曲軸既扭轉又彎曲，產生疲勞應力狀態。由于曲軸彎曲與扭轉振動而產生附加應力，再加上曲軸形狀復雜，結構變化急劇，產生的嚴重的應力集中。特別在曲柄至軸頸的圓角過渡區潤滑油孔附近以及加工粗糙的部位應力集中現象尤為突出。所以在設計曲軸時，要使它具有足夠的疲勞強度，盡量減小應力集中現象，克服薄弱環節，保證曲軸可靠工作。如果曲軸彎曲剛度不足，就會大大惡化活塞連桿的工作條件，影響它們的工作可靠性和耐磨性，曲軸扭轉剛度不足則可能在工作轉速范圍內產生強烈的扭轉振動，所以設計曲軸時，應保證它有盡可能高的彎曲剛度和扭轉剛度。此外，曲軸主軸頸與曲柄銷時再高比壓下進行高速轉動的，因而還會產生強烈的磨損。所以設計曲軸時，要使其各摩擦表面耐磨，各軸頸應具有足夠的承壓面積同時給予盡可能好的工作條件。曲軸的結構型式曲軸的設計從總體結構上選擇整體式，它具有工作可靠質量輕的特點，而且剛度和強度較高，加工表面也比較少。為了提高曲軸的彎曲剛度和強度，采用全支撐半平衡結構，即四個曲拐，每個曲拐的兩端都有個主軸頸，如圖.所示圖.曲軸的結構型式曲軸的材料在結構設計和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強度決定著曲軸的體積重量和壽命，作為曲軸的材料，除了應具有優良的機械性能以外，還要求高度的耐磨性耐疲勞性和沖擊韌性。同時也要使曲軸的加工容易和造價低廉。在保證曲軸有足夠強度的前提下，盡可能采用般材料。以鑄代鍛，以鐵代鋼。高強度球墨鑄鐵的出現為鑄造曲軸的廣泛采用提供了前提。球墨鑄鐵就其機械性能和使用性能而言，比其它多種鑄鐵都要好。球墨鑄鐵曲軸可以鑄成復雜的合理的結構形狀，使其應力分布均勻，金屬材料更有效地利用，加上球鐵材料對斷面缺口的敏感性小，使得球鐵曲軸的實際彎曲疲勞強度與正火中碳鋼相近。該發動機曲軸采用球墨鑄鐵鑄造而成。.曲軸的主要尺寸的確定和結構細節設計曲柄銷的直徑和長度在考慮曲軸軸頸的粗細時，首先是確定曲柄銷的直徑。在現代發動機設計中，般趨向于采用較大的值，以降低曲柄銷比壓，提高連桿軸承工作的可靠性，提高曲軸的剛度。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉質量的離心力增大，隨曲軸及軸承的工作帶來不利，對于汽油機為氣缸直徑，已知.，則，曲柄銷直徑取為。曲柄銷的長度是在選定的基礎上考慮的。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作能力出發，應使控制在定范圍內，同時注意曲拐各部分尺寸協調，根據統計，取.。軸頸的尺寸，最后可以根據承壓面的投影面積