EA113汽油机曲柄连杆机构技术报告

EA113汽油机曲柄连杆机构
一选题的目的和意义
曲柄连杆机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[1]。

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。

二曲柄连杆机构的设计与分析
1 曲柄连杆机构运动学
中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示，图2.1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为连杆小头孔中心或活塞销中心。

当曲柄按等角速度 旋转时，曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动，活塞A点沿气缸中心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动，其大头B点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。

在实际分析中，为使问题简单化，一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究。

图2.1 曲柄连杆机构运动简图
活塞做往复运动时，其速度和加速度是变化的。

它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。

2 气缸内工质的作用力
作用在活塞上的气体作用力g P 等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞顶面积的乘积，即 )(4'2p p D P g -=
π
（2.10）
式中：g P —活塞上的气体作用力，N ；
p —缸内绝对压力，MPa ；
p '—大气压力，MPa ；
D —活塞直径，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、下两面的空间内气体压力差p p '-，对于四冲程发动机来说，一般取p '=0.1MPa ，mm D 985.80=。

3 活塞组的设计要求
（1）要选用热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、具有良好减磨性、工艺性的材料；
（2）有合理的形状和壁厚。

使散热良好，强度、刚度符合要求，尽量减轻重量，避免应力集中；
（3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加活塞组的摩擦损失；
（4）在不同工况下都能保持活塞与缸套的最佳配合；
（5）减少活塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；
（6）在较低的机油耗条件下，保证滑动面上有足够的润滑油。

4 活塞环设计及计算
该发动机采用三道活塞环，第一和第二环为气环，第三环为油环。

第一道活塞环为桶形扭曲环，材料为球墨铸铁，表面镀铬。

桶形环与缸筒为圆弧接触，对活塞摆动适应性好，并容易形成楔形润滑油膜。

第二道活塞环为鼻形环，材料为铸铁，鼻形环可防止泵油现象，活塞向上运动时润滑效果好。

第三道是油环，是钢带组成环，重量轻，比压高，刮油能力强。

活塞环的主要尺寸为环的高度b 、环的径向厚度t 。

气环mm b 3~5.1=，油环mm b 5~3=，取mm b 5.11=，mm b 75.12=，mm b 33=。

活塞环的径向厚度t ，一般推荐值为：当缸径D 为mm 100~50时，6.0~45.0/=D t ，取mm D t 05.45.0==。

5 活塞的建模思路
（1）为了快速准确地创建活塞模型，先抽取活塞模型中的对称部分，由列表曲线创建活塞的1/4轮廓。

（2）镜像生成活塞的整个轮廓。

（3）创建活塞的顶部凹槽特征。

（4）创建活塞头部的气环槽和油环槽。

（5）创建各部分的倒圆角。

6 曲柄连杆机构运动分析
四缸发动机曲轴、连杆和活塞的运动是较复杂的机械运动。

曲轴做旋转运动，连杆做平动，活塞是直线往复运动。

在用Pro/Engineer 做曲轴、连杆和活塞的运动分析的步骤如下所示[20]:
（1）设置曲轴、连杆和活塞的连接。

为使机构能够按照预定的方式运动，
须分别在曲轴与机体之间、连杆与曲轴之间、活塞与连杆之间添加销钉。

在活塞与机体之间添加滑动杆连接。

（2）定义伺服电动机。

利用伺服电动机驱动曲轴转动。

（3）建立运动分析。

（4）干涉检验与视频制作。

（5）获取分析结果。

三结论
在完成整个设计过程后，总结了以下结论：
（1）首先经过几种方案的比较，最终确定了设计方案，本设计以捷达EA113汽油机作为参照，确定了相关参数，以便进行下一步的设计计算。

（2）以传统运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的受力进行了系统的分析，并以此作为零件强度、刚度和和磨损等问题的依据。

在此基础上，又进行了动力学方面的理论分析，重点分析了活塞的运动规律。

（3）对曲柄连杆机构的主要零部件曲轴、活塞、连杆以及机构的其它零件如螺栓等进行了主要结构参数的设计计算，并通过校核检验尺寸选取的是否合适。

分析了零部件的工作条件，总结应满足的设计要求，合理选择材料，以满足强度和刚度的校核。

四体会
本课题来源于东风重型车生产实际中，设计EA113汽油机曲柄连杆机构。

在设计中充分考虑到公司现有技术水平和设备条件，根据加工精度技术要求制定合理的结构方案。

采用CAD辅助设计，应用PRO/E三维仿真，进行虚拟装配，干涉检查。

所设计曲柄连杆机构结构紧凑、设计合理，自动化程度较高，设计采用现代化模具设计方法CAD技术和PRO/E三维仿真技术，改变了传统的产品开发和设计生产方式，大大提高产品质量，缩短产品研发周期，降低生产成本，提高生产效率和经济效益。

通过对EA113汽油机曲柄连杆机构的设计与研究，我体会到，模拟分析对机构的工作过程和干涉检查更加形象直观，也更加方便。

应用该方法，不需要建立曲柄连杆机构的数学模型，也不需要编写相应得分析计算程序，只需将曲柄连杆机构的实体模型直接导入到分析软件中，并进行适当的定义，即可对所需要的运动学、动力学参数进行分析和优化，既节省了时间又提高了效率。

通过仿真能方
便、快捷、准确的得到机构的运动、动力数据，可以观察对机构运动、受力的不同影响,能为机构的选型、优化设计提供参考依据。

毕业设计虽已完成了，但由于实际经验缺乏，知识水平的局限，加上时间较仓促，设计中还存在很多不足之处，有许多地方还需要改进，在此感谢老师的批评指导。

回顾起此次毕业设计，我感慨颇多。

在做毕业设计期间，疑惑不断出现，又不断解开，不仅巩固了以前学得不扎实的专业课，而且扩展了自己的专业知识。

通过这次毕业设计，我认识到，只有把所学的理论知识与实践结合起来，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

毕业设计真正让我们有机会把我们所学应用到实践中，使我们的知识系统化，同时也是一次升华过程。

同时，还学到了书本上学不到的东西。

各位老师分析问题的方法、严谨学术作风、认真的工作态度、丰富的理论知识和高水平的学术阅历使我受益匪浅。

毕业设计虽已完成了，但由于知识水平的局限，实际经验缺乏，设计还存在许多不足，有很多地方需要改进。

对于这些不足，我会在今后的工作、生活中努力去改正，并利用自已所学到的知识，为社会作更多的贡献，成为一个对社会有用的人。

最后预祝湖北汽车工业学院发展越来越好，前程似锦！。