发动机曲柄连杆机构的设计

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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滑块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，并进行相关力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，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，力求为发动机曲柄滑块机构的设计提供一种综合全面的思路。

分析研究的主要模块分为以下三个部分：第一，对发动机曲柄滑块机构进行力学分析，着重分析活塞的位移、速度、加速度以及工质的作用力和机构的惯性力；第二，进行曲柄滑块机构活塞组、连杆组以及曲轴的结构设计，并对其强度和刚度进行校核；第三，应用Pro∕Engineer 建立曲柄滑块机构主要零部件的几何模型，并利用Pro/Mechanism进行机构仿真。

关键词：发动机；曲柄滑块机构；力学分析；机构仿真

目录

第一章绪论 (1)

1.1国外发展现状 (1)

1.2研究的主要容 (1)

第二章总体方案的设计 (2)

2.1原始参数的选定 (2)

2.2原理性方案设计 (2)

2.3 结构的设计 (3)

2.4 确定设计方案 (3)

第三章中心曲柄连杆机构的设计 (5)

3.1 气缸的作用力分析 (5)

3.2 惯性力的计算 (5)

第四章活塞以及连杆组件的设计 (8)

4.1 设计活塞组件 (8)

4.2 设计活塞销 (9)

4.3 活塞销座 (9)

4.4 连杆的设计 (9)

第五章曲轴的设计 (11)

5.1 曲轴的材料的选择 (11)

5.2 确定曲轴的主要尺寸和结构细节 (11)

第六章曲柄连杆机构的创建 (13)

6.1 活塞的创建 (13)

6.2 连杆的创建 (14)

6.3 曲轴的创建 (16)

6.4 曲柄连杆机构其它零件的创建 (18)

第七章活塞及连杆的装配 (19)

7．1添加活塞组件 (19)

7.2添加连杆体组件 (19)

7.3曲轴连杆的连接 (20)

总结 (22)

参考文献 (23)

结束语 (24)

第一章绪论

1.1 国外发展现状

水冷式四冲程往复活塞式燃机是目前使用最广泛的燃机,应用于轿车、公交车和柴油机的中型和重型卡车。最出名的发动机,是转子活塞式发动机,也称为转子式发动机，但应用很少。

就全球的汽车发展而言,汽车发动机技术，具有优良的性能,更好的燃油经济性和动力性能，得到越来越广泛的关注。发动机会越来越向环境保护和节能的方向发展。

1.2研究的主要容

以桑塔纳2000AJR型的发动机为例，对发动机中的曲柄滑块机构，进行深入的分析与研究，研究容如下：

（1)对曲柄滑块机构的力学进行分析,对曲柄滑块机构的主要部件进行强度、刚度计算,

以便满足设计所需要的要求。

(2)分析活塞，活塞销，活塞销座的设计要求，确定主要结构的尺寸。

(3)应用Pro / E软件建模来装配曲柄滑块机构的相关组件，最后组装成一个完整的机构。

第二章总体方案的设计

2.1原始参数的选定

以桑塔纳2000AJR型的燃机为例，它主要性能参数如表2.1所示：

表2-1 桑塔纳2000AJR型燃机参数

2.2原理性方案设计

连杆是发动机的动力传输系统,是完成能量转换的主要运动部分。活塞连杆组:活塞、活塞销、连杆;曲轴部件:曲轴、飞轮、曲轴正齿轮的三个部分。工作原理是:在燃料燃烧的能量,推动活塞上下移动,然后通过连杆带动曲轴圆周运动。吸入空气,排出废气,配备进口和排气系统,推动活塞往复运动。四缸发动机的工作循环包括四个冲程:进气、压缩、做功和排气。进气冲程:汽油发动机将汽缸和油门之外混合空气吸入发动机,形成可燃混合气并吸入气缸。压缩冲程:为了使可燃混合物快速燃烧,产生更大压力,产生更高的动力引擎,所以对

混合气体进行压缩,因此,需要压缩。做功冲程:在做功中,进、排气阀关闭,活塞上到顶点附近时的火花塞旁时，点燃可燃混合气体。混合物燃烧。排气冲程:生成废气体后,活塞到达下止点后再向上移动,继续将废气排出来完成一个工作循环。

2.3 结构的设计

根据运动学的角度来看，连杆可分为三类: 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。根据设计要求，中心曲柄连杆的特点符合标准。

中心曲柄连杆机构

它的特点是气缸的中心线通过曲轴的旋转中心与轴垂直于曲柄。这种类型的发动机曲柄连杆机构是使用围最广的。一般单一式燃机和活塞式燃机曲柄连杆机构属于这一类。

2.4 确定设计方案

通过对三种连杆的比较,设计选型为中心曲柄连杆机构,中心曲柄连杆机构图如图2-1所示, 曲轴中心为O，曲柄为OB，连杆为AB，曲柄销中心为B，A为连杆小头孔中心或活塞销中心为A。

图2-1 中心曲柄连杆机构运动简图

第三章 中心曲柄连杆机构的设计

研究曲柄连杆的受力分析,关键要对曲柄连杆机构的所受到的力进行分析,根据力和曲柄连杆机构的各部件强度、刚度和磨损分析，计算和设计出适合的发动机中心曲柄,实现发动机的输出和转速等各方面的要求。

作用在曲柄连杆机构上的力可以分为:气缸气体的压力、运动的惯性力,摩擦阻力和发动机曲轴上的负载力。但运动阻力以及负载力难以判断，因此只要研究气体的压力和惯性力的变化。相关参数表1已给出。

3.1 气缸的作用力分析

作用在活塞上的气体作用力g P 等于活塞上、下两面的空间气体压力差与活塞顶面积的乘积，即

)(4'2

p p D P g -=π （3.1）

公式中：g P 为活塞上的气体作用力，单位：N ；

p 为缸绝对压力，单位：MPa ；

p '为大气压力，单位：MPa ；

D 为活塞直径，单位：mm 。

由于活塞直径是一定的，活塞上的气体作用力取决于活塞上、下两面的空间气体压力差p p '-，对于四缸的发动机来说，一般取p '=0.1MPa ，mm D 965.80=