曲柄連桿設(shè)計(jì)分析

1、 工程軟件技能訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)說明書 院系名稱： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 工程軟件技能訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名院系專業(yè)、班級(jí)指導(dǎo)教師姓名職稱從事專業(yè)是否外聘是否題目名稱曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容： 學(xué)會(huì)利用AutoCAD、UG及ANSYS等工程應(yīng)用軟件對(duì)汽車零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，為將來的工程實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。自選某品牌轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸活塞連桿組進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求對(duì)曲軸活塞連桿組進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，利用UG軟件完成三維設(shè)計(jì)及裝配，利用ANSYS軟件對(duì)曲軸、活塞及連桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，并最終利用AutoCAD軟件完成二維總裝配圖A1一張，曲軸、活塞及連桿的零件圖A2三張。設(shè)計(jì)完成后應(yīng)提

2、交的成果：1、設(shè)計(jì)說明書1份，字?jǐn)?shù)為3000字以上，主體包括緒論、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核計(jì)算、UG三維設(shè)計(jì)及裝配、ANSYS有限元分析。2、二維總裝配圖1張，A1大小，零件圖3張，A2大?。?目錄第1章 緒論11.1 選題的目的和意義11.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀11.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容1第2章 活塞組的設(shè)計(jì)22.1 活塞的設(shè)計(jì)22.2 活塞銷的設(shè)計(jì)53.3 活塞銷座53.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)5第3章 連桿組的設(shè)計(jì)64.1 連桿的設(shè)計(jì)64.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì)9第4章 曲軸的設(shè)計(jì)10第5章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建105.1 活塞的創(chuàng)建105.2 連桿的創(chuàng)建115.3 曲軸的創(chuàng)建12第6章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)13

3、第7章 ANSYS分析14結(jié)論15參考文獻(xiàn)15第1章 緒論1.1 選題的目的和意義曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。通過設(shè)計(jì)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，為了滿足設(shè)計(jì)的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)為了滿足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，同時(shí)要滿足校核計(jì)算。1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀多剛體動(dòng)

4、力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。目前多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件主要有CAD、CATIA、ANSYS等。多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)。1.3 設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有：（1）對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)

5、學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的計(jì)算和校核，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求；（2）分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的工作條件和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求；（3）應(yīng)用CATIA軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)干涉，獲取分析結(jié)果；第2章 活塞組的設(shè)計(jì)2.1 活塞的設(shè)計(jì)2.1.1 活塞頭部的設(shè)計(jì)1、壓縮高度的確定活塞壓縮高度的選取

6、將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，以及氣缸套、機(jī)體的尺寸和質(zhì)量。盡量降低活塞壓縮高度是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則，壓縮高度是由火力岸高度、環(huán)帶高度和上裙尺寸構(gòu)成的，即=+ 為了降低壓縮高度，保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上盡量壓縮環(huán)岸、環(huán)槽的高度及銷孔的直徑。（1）第一環(huán)位置根據(jù)活塞環(huán)的布置確定活塞壓縮高度時(shí)，首先須定出第一環(huán)的位置，即所謂火力岸高度。為縮小，當(dāng)然希望盡可能小，火力岸高度的選取原則是：在滿足第一環(huán)槽熱載荷要求的前提下，盡量取得小些。一般汽油機(jī)，為活塞直徑，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞標(biāo)準(zhǔn)直徑，確定火力岸高度為：取=9（2）環(huán)帶高度 為減小活塞高度，活塞環(huán)槽軸向高度應(yīng)盡可能小，這樣活塞環(huán)慣性力也小，會(huì)減輕對(duì)環(huán)槽

7、側(cè)面沖擊，有助于提高環(huán)槽耐久性。但太小，使制環(huán)工藝?yán)щy。在小型高速內(nèi)燃機(jī)上，一般氣環(huán)高，油環(huán)高。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)稱之為壓縮環(huán)（氣環(huán)），第三環(huán)稱之為油環(huán)。取，。環(huán)岸的高度，應(yīng)保證它在氣壓力造成的負(fù)荷下不會(huì)破壞。當(dāng)然，第二環(huán)岸負(fù)荷要比第一環(huán)岸小得多，溫度也低，只有在第一環(huán)岸已破壞的情況下，它才可能被破壞。因此，環(huán)岸高度一般第一環(huán)最大，其它較小。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，汽油機(jī)接近下限。則 ， 。因此，環(huán)帶高度。（3）上裙尺寸對(duì)于汽油機(jī)，所以。則 。2、活塞頂和環(huán)帶斷面（1）活塞頂活塞頂?shù)男螤钪饕Q于燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。僅從活塞設(shè)計(jì)角度，為了減輕活塞組的熱負(fù)荷和應(yīng)力集中，希望采用受

8、熱面積最小、加工最簡(jiǎn)單的活塞頂形狀，即平頂。大多數(shù)汽油機(jī)正是采用平頂活塞，由于EA113 5V 1.6L發(fā)動(dòng)機(jī)為高壓縮比，因而采用近似于平頂?shù)幕钊?。?shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，活塞頂部最小厚度，汽油機(jī)為，即取6?；钊^部要安裝活塞環(huán)，側(cè)壁必須加厚，一般取，取為6.16mm，取6.活塞頂與側(cè)壁之間應(yīng)該采用較大的過渡圓角，一般取，取0.074為5.993mm.取6.為了減少積炭和受熱，活塞頂表面應(yīng)光潔，在個(gè)別情況下甚至拋光。復(fù)雜形狀的活塞頂要特別注意避免尖角，所有尖角均應(yīng)仔細(xì)修圓，以免在高溫下熔化。（2）環(huán)帶斷面為了保證高熱負(fù)荷活塞的環(huán)帶有足夠的壁厚使導(dǎo)熱良好，不讓熱量過多地集中在最高一環(huán)，其平均值為。正確

9、設(shè)計(jì)環(huán)槽斷面和選擇環(huán)與環(huán)槽的配合間隙，對(duì)于環(huán)和環(huán)槽工作的可靠性與耐久性十分重要。槽底圓角一般為0.20.5mm。活塞環(huán)岸銳邊必須有適當(dāng)?shù)牡菇?，否則當(dāng)岸部與缸壁壓緊出現(xiàn)毛刺時(shí)，就可能把活塞環(huán)卡住，成為嚴(yán)重漏氣和過熱的原因，但倒角過大又使活塞環(huán)漏氣增加。一般該倒角為。（3）環(huán)岸和環(huán)槽第一環(huán)與環(huán)槽側(cè)隙一般為0.050.1mm，二、三環(huán)適當(dāng)小些，為0.030.07mm，油環(huán)則更小些，這有利于活塞環(huán)工作穩(wěn)定和降低機(jī)油消耗量，側(cè)隙確定油環(huán)槽中必須設(shè)有回油孔，并均勻地布置再主次推力面?zhèn)?，回油孔?duì)降低機(jī)油消耗量有重要意義，三道活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙如表2.1所示:表2.1 活塞環(huán)的開口間隙及側(cè)隙活塞環(huán)開口間隙

10、/側(cè)隙/第一道環(huán)第二道環(huán)第三道環(huán)活塞環(huán)的背隙比較大，以免環(huán)與槽底圓角干涉。一般氣環(huán)=0.5毫米，油環(huán)的則更大些，如圖2.1所示。2.1.2 活塞裙部的設(shè)計(jì)把活塞裙部的橫斷面設(shè)計(jì)成與裙部變形相適應(yīng)的形狀。在設(shè)計(jì)時(shí)把裙部橫斷截面制成長(zhǎng)軸是在垂直與活塞銷中心線方向上，短軸平行于銷軸方向的橢圓形。常用的橢圓形狀是按下列公式設(shè)計(jì)的： （3.4）式中、分別為橢圓的長(zhǎng)短軸，如圖2.3所示。缸徑小于的裙部開槽的活塞，橢圓度（）的大小，一般為。圖2.3 活塞銷裙部的橢圓形狀91、裙部的尺寸活塞裙部是側(cè)壓力的主要承擔(dān)者。為保證活塞裙表面能保持住必要厚度的潤(rùn)滑油膜，其表面比壓不應(yīng)超過一定的數(shù)值。因此，在決定活塞裙部

11、長(zhǎng)度是應(yīng)保持足夠的承壓面積，以減少比壓和磨損。 （3.5）式中：最大側(cè)作用力，由動(dòng)力計(jì)算求得，=2410.83活塞直徑，；裙部高度，。取，取38。則 一般發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部比壓值約為，所以設(shè)計(jì)合適。2、銷孔的位置活塞銷與活塞裙軸線不相交，而是向承受膨脹側(cè)壓力的一面（稱為主推力面，相對(duì)的一面稱為次推力面）偏移了，這是因?yàn)椋绻钊N中心布置，即銷軸線與活塞軸線相交，則在活塞越過上止點(diǎn)，側(cè)壓力作用方向改變時(shí)，活塞從次推力面貼緊氣缸壁的一面突然整個(gè)地橫掃過來變到主推力面貼緊氣缸壁的另一面，與氣缸發(fā)生“拍擊”，產(chǎn)生噪音，有損活塞耐久性。2.2 活塞銷的設(shè)計(jì)活塞銷的結(jié)構(gòu)和尺寸活塞銷的結(jié)構(gòu)為一圓柱體，中空形式

12、，可減少往復(fù)慣性質(zhì)量，有效利用材料?；钊N與活塞銷座和連桿小頭襯套孔的連接配合，采用“全浮式”?；钊N的外直徑，取，活塞銷的內(nèi)直徑，取活塞銷長(zhǎng)度，取取652.3 活塞銷座活塞銷座的內(nèi)徑，活塞銷座外徑一般等于內(nèi)徑的倍，取，取32活塞銷的彎曲跨度越小，銷的彎曲變形就越小，銷銷座系統(tǒng)的工作越可靠，所以，一般設(shè)計(jì)成連桿小頭與活塞銷座開擋之間的間隙為，但當(dāng)制造精度有保證時(shí)，兩邊共就足夠了，取間隙為。2.4 活塞環(huán)設(shè)計(jì)該發(fā)動(dòng)機(jī)采用三道活塞環(huán)，第一和第二環(huán)為氣環(huán)，第三環(huán)為油環(huán)?；钊h(huán)的主要尺寸為環(huán)的高度、環(huán)的徑向厚度。氣環(huán)，油環(huán)，取，?；钊h(huán)的徑向厚度，一般推薦值為：當(dāng)缸徑為時(shí)，取。取5第3章 連桿組的設(shè)計(jì)

13、3.1 連桿的設(shè)計(jì)3.1.1 連桿長(zhǎng)度的確定 設(shè)計(jì)連桿時(shí)首先要確定連桿大小頭孔間的距離，即連桿長(zhǎng)度它通常是用連桿比來說明的，通常0.3125，取，則。3.1.2 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)連桿小頭主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖4.1所示，小頭襯套內(nèi)徑和小頭寬度已在活塞組設(shè)計(jì)中確定，。為了改善磨損，小頭孔中以一定過盈量壓入耐磨襯套，襯套大多用耐磨錫青銅鑄造，這種襯套的厚度一般為，取，則小頭孔直徑，小頭外徑，取。2、連桿小頭的強(qiáng)度校核圖3.1 連桿小頭主要結(jié)果尺寸（1）襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力計(jì)算時(shí)把連桿小頭和襯套當(dāng)作兩個(gè)過盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過盈及受熱膨脹

14、，小頭所受的徑向壓力為： （4.1）由徑向均布力引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計(jì)算，外表面應(yīng)力 內(nèi)表面應(yīng)力 的允許值一般為，校核合格。3.1.3 連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算1、連桿桿身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)連桿桿身從彎曲剛度和鍛造工藝性考慮，采用工字形斷面，桿身截面寬度約等于(為氣缸直徑)，取，截面高度，取。為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。2、連桿桿身的強(qiáng)度校核（1）最大拉伸應(yīng)力由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為： 式中：連桿桿身的斷面面積，汽油機(jī)，為活塞投影面積，取。則最大拉伸應(yīng)力為： （2）桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在

15、做功行程中最大燃?xì)庾饔昧r(shí)，并可認(rèn)為是在上止點(diǎn)，最大壓縮力為： 連桿承受最大壓縮力時(shí)，桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時(shí)連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲，可認(rèn)為連桿兩端為鉸支，長(zhǎng)度為；在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn)，長(zhǎng)度為，因此在擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 式中：系數(shù)，對(duì)于常用鋼材，?。挥?jì)算斷面對(duì)垂直于擺動(dòng)平面的軸線的慣性矩，。 ；將式改為： 式中 連桿系數(shù)，；則擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為：同理，在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 將式（4.10）改成 式中：連桿系數(shù)，。則在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 和的許用值為 ，所以校核合格。3.1.4 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要尺寸連

16、桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑、長(zhǎng)度、連桿軸瓦厚度和連桿螺栓直徑。其中在、在曲軸設(shè)計(jì)中確定，則大頭寬度，軸瓦厚度，取，大頭孔直徑。連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺(tái)高度，取，取，為了提高連桿大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取3毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。3.2 連桿螺栓的設(shè)計(jì)根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，取。連桿上的螺栓數(shù)目為2，則每個(gè)螺栓承受的最大拉伸載荷為往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力在氣缸中心線上的分力之和，即 （4.19）軸瓦過盈量所必須具有的預(yù)緊力由軸瓦最小應(yīng)力，由實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)可得一般為，取3

17、0，由于發(fā)動(dòng)機(jī)可能超速，也可能發(fā)生活塞拉缸，應(yīng)較理論計(jì)算值大些，一般取，取。第4章 曲軸的設(shè)計(jì)1 曲柄銷的直徑和長(zhǎng)度 首先是確定曲柄銷的直徑。在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，一般趨向于采用較大的值，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力增大，隨曲軸及軸承的工作帶來不利，對(duì)于汽油機(jī)，為氣缸直徑，已知=80.985，則，曲柄銷直徑取為=0.60=47.80。曲柄銷的長(zhǎng)度是在選定的基礎(chǔ)上考慮的。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作能力出發(fā)，應(yīng)使控制在一定范圍內(nèi)，同時(shí)注意曲拐各部分尺寸協(xié)調(diào)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)/=，取=0.59=28。2 主軸頸的直徑和長(zhǎng)度從曲軸各部分尺寸協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)，建議取，取=1.13=54。

18、據(jù)統(tǒng)計(jì)，取=0.31=25.11，取26。3 曲柄曲柄的寬度，取，取80，厚度，取,取18。曲柄臂以凸肩接主軸頸和曲柄銷。凸肩的厚度根據(jù)曲軸加工工藝決定。全加工曲軸的只有0.51，取=1。曲柄銷和主軸頸至曲柄臂凸肩的過渡圓角對(duì)應(yīng)力集中程度影響最大，加大圓角半徑可使圓角應(yīng)力峰值降低，至少不能小于0.05或2.5，取=3。第5章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建運(yùn)用CATIA軟件分別對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件進(jìn)行模型的建立，步驟如下：5.1 活塞的創(chuàng)建1、創(chuàng)建活塞輪廓2、創(chuàng)建活塞銷座、5.2 連桿的創(chuàng)建1、 創(chuàng)建連桿體桿身、連桿體大小頭2、創(chuàng)建連桿體兩側(cè)凸臺(tái)、兩側(cè)凸臺(tái)螺紋孔 5.3 曲軸的創(chuàng)建1、 創(chuàng)建平衡塊、主

19、軸頸、曲拐2、 曲軸曲拐部分的鏡像3、 創(chuàng)建曲軸兩端特征第6章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞及連桿的裝配1、向組件中添加連桿體2、向組件中添加連桿襯套選擇“插入”選項(xiàng)，將連桿襯套的外側(cè)圓柱面以連桿體的小端面以插入的方式相配合。3、向組件中添加連桿軸瓦（1）選擇“對(duì)齊”選項(xiàng)，“偏移”為“重合”，并選擇相重合的平面，然后【反向】。（2）選擇“約束類型”為“插入”，選取軸瓦的外側(cè)圓柱面和連桿體的大端孔內(nèi)側(cè)圓柱面，使這兩個(gè)曲面以插入的方式相配合。 （3）同樣的方法完成另一塊連桿軸瓦的裝配。4、向組件中添加連桿蓋5、向組件中添加連桿螺栓6、向組件中添加曲軸選擇“用戶定義”為“銷釘”選項(xiàng)，分別通過【軸對(duì)齊】、【平移】，分別選取對(duì)應(yīng)的軸和面，使其相匹配，選取完成曲軸的連接。 7、向組件中添加連桿組件運(yùn)用【添加元件】，“插入”已創(chuàng)建好的連桿組件，選擇“銷釘”選項(xiàng)，分別選取連桿組件和曲軸的對(duì)應(yīng)面，通過【軸對(duì)齊】