发动机曲柄连杆机构CAD系统的研究
第二章 曲柄连杆机构动力学分析
mCA mCB m mC mCA l A mCB l B m l2 m l2 I CA A CB B
mCA I /( Ll A ) mCB I /( Ll B ) m m I /(l l ) C A B
通常 Δ m 较小。为确定 mCA、mCB 需要知道连杆组的质心位置， 为此可用天平称量法、力学索多边形法确定质心，现在的三维CAD 软件也有此功能。 最后可得出整个曲柄连杆机构的换算质量： 往复运动质量
cos vmax
L
1
L R 1 2 1 R R 1 2 cos
2 2
由近似式可得出活塞平均速度
cm
1
0
Sn R (sin sin 2 )d R 2 30
2
活塞的最大速度和平均速度之比是反映活塞运动交变程度的一个 指标：
v max R 1 2 2 1 2 cm 2 R
1 sin 1 2 2 L cos 1 sin 2 （近似式）
2 2
L
cos
（精确式）
在α =0º 或180º 时达到极值： Le 连杆摆动角加速度ε L： sin 2 2 L 1 3/ 2 2 2 1 sin
Le 2 1 2
在曲柄连杆机构运动学计算中，通常将活塞的位移、速度和加速度 分别除以R、Rω 、Rω 2，无量纲化，写成 无量纲位移（活塞位移系数）： x 1 x 1 cos 1 1 2 sin 2 R （精确式）
x 1 cos
用近似式计算加速度在α =0º 、180º 时没有误差，在α =90º 、270º 时误差最大。以λ =0.32时为例，相对误差约为 5.3%
利用CAD软件进行机构设计和分析
利用CAD软件进行机构设计和分析CAD软件是一种强大的工具，可用于机构设计和分析。
在现代工程中，机构是指由互相连接的零件组成的系统，用于实现特定的功能。
从简单的手动机构到复杂的自动化系统，CAD软件可以帮助工程师们更高效、准确地进行设计和分析。
本篇文章将介绍如何利用CAD软件进行机构设计和分析，并提供一些有用的技巧。
首先，要进行机构设计，需要了解机构设计的基本原理。
机构设计是通过选择和配置适当的连杆、齿轮、带传动等元件，使得机构在运动过程中满足特定要求。
常见的机构设计目标包括位置、速度和加速度等方面的要求。
在CAD软件中，可以使用各种工具和命令来创建和配置机构的各个部件。
在CAD软件中进行机构设计的第一步是创建零件。
利用CAD软件提供的绘图工具，可以绘制连杆、齿轮等元件的几何形状。
在绘制零件时，需要考虑它们的尺寸、形状和材料等因素。
CAD软件通常提供了多种绘图工具和命令，如绘制直线、弧线和多边形，以及修剪、拉伸和旋转等编辑工具。
创建零件后，下一步是组装机构。
在CAD软件中，可以使用装配工具将不同的零件组合到一起，形成完整的机构。
装配工具通常提供了各种约束条件，如固定、平行、垂直和轴向等，可以帮助确保零件之间的正确位置和运动。
在进行机构装配时，需要根据设计要求选择适当的连接方式和约束条件。
完成机构的装配后，下一步是进行机构的分析。
机构分析是评估机构在运动过程中的性能和行为。
其中一个常见的分析方法是运动学分析，它可用于确定机构各个部件的位置、速度和加速度。
在CAD软件中，可以使用运动模拟工具或动力学分析工具来进行运动学分析。
这些工具通常提供了绘制位置、速度和加速度曲线的功能，可以帮助工程师们更好地理解机构的行为。
此外，CAD软件还提供了其他有用的工具和功能，如材料库和模型库等。
材料库可以帮助工程师们选择合适的材料，以满足机构的强度和刚度要求。
模型库包含了各种标准零件和组件的模型，可以加快机构设计的速度。
发动机曲柄连杆机构多体系统动力学仿真研究的开题报告
发动机曲柄连杆机构多体系统动力学仿真研究的开题报告一、研究背景与意义随着汽车工业的发展，对于发动机的性能安全与经济性能有越来越高的要求。
发动机曲轴连杆机构是发动机的核心部件之一，它是将活塞的上下往复运动转变为旋转运动的关键。
因此，深入研究发动机曲轴连杆机构多体系统动力学特性，对于提高发动机的性能和可靠性具有重要的实用价值和理论意义。
当前，对于发动机曲轴连杆机构的多体系统动力学研究已经有了一定的基础，包括研究方法、仿真软件和实验设备的不断发展。
但是，目前存在一些问题如下：1.现有的研究方法普遍忽略了发动机曲轴连杆件之间的质量分布和相互作用，并且曲轴的弯曲和扭转也没有得到充分考虑，缺乏针对复杂工况下发动机曲轴连杆机构多体系统的优化设计理论。
2.现有仿真软件的建模和计算精度有限，不能充分反映发动机曲轴连杆机构的动力学特性，如曲轴的弯挠、摩擦、磨损等。
基于此，开展发动机曲轴连杆机构多体系统动力学研究，建立准确合理的发动机曲轴连杆机构模型，可以为发动机的优化设计提供科学依据和理论基础，进而推动发动机领域的发展。
二、研究目标与内容本研究的主要目标是建立准确的发动机曲轴连杆机构多体系统动力学模型，研究发动机曲轴连杆机构在复杂工况下的特性，以此为基础进行优化设计。
本研究的具体内容包括：1.建立发动机曲轴连杆机构多体系统动力学模型，考虑曲轴的弯曲、扭转、转轴偏移和曲轴连杆件之间的相互作用。
2.开发仿真软件，实现对于发动机曲轴连杆机构的动力学特性进行分析和计算，并对比分析不同工况下发动机曲轴连杆机构的性能。
3.针对不同工况下，优化设计发动机曲轴连杆机构的结构，提高发动机的性能和可靠性。
三、研究方法本研究采用多学科交叉的研究方法。
主要包括：1.理论方法：应用多体系统动力学理论，建立发动机曲轴连杆机构多体系统动力学模型。
2.仿真方法：通过开发相应的仿真软件，对发动机曲轴连杆机构的动力学特性进行分析和计算，同时进行实验数据验证和比对。
发动机曲柄连杆机构的建模与仿真【毕业作品】
任务书设计题目：发动机曲柄连杆机构的建模与仿真1．设计（论文）的主要任务及目标（1）根据桑塔纳轿车相关性能参数完成对发动机曲柄连杆机构的选型设计；（2）利用软件完成曲柄连杆机构各部件的仿真建模、装配及运动仿真。
2．设计（论文）的基本要求和内容（1）完成机构本体零部件设计并撰写设计说明书一份；（2）完成零部件仿真及装配仿真一份；（3）完成零件图及装配图一套。
3．主要参考文献《机械设计》高等教育出版社《发动机设计》机械工业出版社《内燃机设计》机械工业出版社相关技术参数国家标准4．进度安排注：一式4份，系部、指导教师各1份、学生2份：[毕业设计（论文）]及答辩评分表各一份发动机曲柄连杆机构建模与仿真摘要:以桑塔纳2000AJR型发动机为例，基于相关参数对发动机曲柄连杆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，并进行相关运动学分析和机构运动仿真分析，以达到良好的生产经济效益。
目前国内外对发动机曲柄连杆机构的设计,建模与分析的方法很多，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，力求为发动机曲柄连杆机构的设计提供一种综合全面的思路。
关键词：发动机曲柄连杆机构,机构设计, Pro∕Engineer,AutoCADMODELING AND SIMULATION OFCRANKSHAFT IN THEENGINEAbstract: Santana 2000AJR engine, for example, based on the relevant parameters of the engine crank linkage main components structural design calculations, while the strength, stiffness and other aspects of the check, and associated institutions kinematic analysis and motion simulation analysis to achieve good production value for money.At present method design, modeling and analysis of domestic and foreign engine crank linkage of many, and has perfect and mature, but still lacks a good production efficiency based on comprehensive analysis of the economic benefits of this design in a clear, on the basis of comprehensive analysis, organically linked to each research module, to achieve both simple and clear design purpose, strive to design the engine crank linkage provides a comprehensive idea.Keyword:Engine crank linkage,MechanismDesign,Pro/Engineer,AutoCAD目录1绪论 (1)1.1国内外发展现状 (1)1.2研究的目的及意义 (1)1.3研究的主要内容 (2)2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 (4)2.3结构性方案设计 (5)2.4设计方案的确定 (5)3曲柄连杆机构受力分析 (7)3.1曲柄连杆机构运动学 (8)3.1.1 活塞位移 (8)3.1.2 活塞的速度 (9)3.1.3 活塞的加速度 (9)3.2曲柄连杆机构中的作用力 (10)3.2.1 气缸内工质的作用力 (10)4活塞组的设计 (10)4.1活塞体的设计 (11)4.1.1 活塞的工作条件和设计要求 (11)4.1.2 活塞的材料 (12)4.1.3 活塞头部的设计 (12)4.1.4 活塞裙部的设计 (16)4.2活塞销的设计 (18)4.2.1 活塞销的结构、材料 (18)4.2.2 活塞销强度和刚度计算 (19)4.3活塞销座 (20)4.3.1 活塞销座结构设计 (20)4.3.2 验算比压力 (20)4.4活塞环设计及计算 (20)4.4.1 活塞环形状及主要尺寸设计 (20)4.4.2 活塞环强度校核 (21)5连杆组的设计 (23)5.1连杆组的工况、基本设计要求与材料选择 (23)5.1.1、连杆组工作情况 (23)5.1.2、连杆组设计要求 (23)5.1.3、连杆组材料的选择 (24)5.2连杆结构与尺寸的确定与校核 (24)5.2.1 连杆长度的确定 (24)5.2.2连杆小头的结构设计与强度、刚度计算 (24)5.2.3 连杆杆身的结构设计与强度计算 (27)5.2.4 连杆大头的结构设计与强度、刚度计算 (30)6曲轴的设计 (33)6.1曲轴的结构型式和材料的选择 (33)6.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 (33)6.1.2 曲轴的结构型式 (34)6.1.3 曲轴的材料 (34)6.2曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 (35)6.2.1 曲柄销的直径和长度 (35)6.2.2 主轴颈的直径和长度 (35)6.2.3 曲柄的设计 (36)6.2.4平衡块 (36)6.2.5 油道的布置与油孔的位置和尺寸 (37)6.2.6 曲轴两端的结构 (37)6.2.7 曲轴的止推 (38)6.3曲轴的疲劳强度校核 (38)6.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩 (38)6.3.2 名义应力的计算 (43)结论 (45)参考文献 (46)致谢 (47)1绪论1.1国内外发展现状目前，应用最广、数量最多的汽车发动机为水冷、四冲程往复活塞式内燃机，其中汽油机多用于轿车和轻型客货车上，而大客车和中、重型货车发动机多为柴油机。
发动机曲柄连杆机构建模与仿真共3篇
发动机曲柄连杆机构建模与仿真共3篇发动机曲柄连杆机构建模与仿真1发动机是现代汽车的核心部件，而发动机的曲柄连杆机构是其重要组成部分。
曲柄连杆机构是将活塞的往复直线运动转化为曲柄的旋转运动，并将曲柄的旋转运动传递到汽车的传动系统，驱动汽车前进。
因此，对曲柄连杆机构的建模与仿真研究具有非常重要的意义。
建模是对一个系统或过程的抽象和简化，建立数学模型并用计算机仿真求解。
而曲柄连杆机构建模与仿真，是指在计算机软件的帮助下将传统的手工绘图、计算曲柄连杆运动轨迹的工作转化为计算机模型建立、仿真分析的过程。
这种方法的好处是可以大大提高计算效率，同时可以方便的进行参数化分析，探究系统的适用性以及其内部机制。
曲柄连杆机构建模的第一步是建立坐标系。
我们需要确定一个参考点，通常是发动机曲轴中心线。
接着，我们需要定义每个零件的位置，通过坐标系来描述。
例如，对于一个柄头与曲轴的配合，我们需要确定其位置和姿态。
曲柄连杆机构的建模需要包括曲轴、连杆和活塞。
在建模时，我们需要确定曲轴的几何尺寸和转动轴线的位置，这样才能计算出曲轴相对坐标系的位置和姿态。
对于连杆，我们需要定义其长度、部位的尺寸和材料以及其他参数，同时也需要考虑连杆的固定方式。
活塞建模需要考虑它的直径、长度以及密封件等参数。
建模完成后，我们需要用计算机软件来进行仿真分析。
在仿真分析时，需要输入相关的工作参数(如发动机的工况、所加载的载荷等)，以获取系统在不同参数下的性能表现。
仿真分析主要包括如下几方面：(1) 运动学分析：通过对曲柄连杆机构中每个零件的几何形状和位置关系的分析，得出其运动轨迹，进而分析每个零件的运动状态。
(2) 动力学分析：通过对曲柄连杆机构在不同载荷下的工作性能的分析，得出曲轴、连杆及柄头的最大受力情况，从而进一步分析系统劳动寿命等相关参数。
(3) 模态分析：通过对曲柄连杆机构在工作条件下的振动模态进行分析，探究系统在不同频率下的振动特性以及如何减少或消除系统中的振动问题。
基于CAD技术的汽车发动机零部件设计与优化研究
基于CAD技术的汽车发动机零部件设计与优化研究随着汽车工业的蓬勃发展，汽车发动机作为核心部件之一，对于汽车性能和可靠性的提升起着关键作用。
而发动机零部件的设计与优化是实现这一目标的重要环节。
本文将基于CAD技术，探讨汽车发动机零部件的设计与优化，以提升其性能和可靠性。
1. 引言汽车发动机作为驱动力源，直接关系到汽车性能和经济性。
发动机的设计与优化使得汽车制造商能够不断提高功率输出、降低油耗以及减少废气排放，从而满足用户对汽车性能和环保的需求。
2. CAD技术在汽车发动机零部件设计中的应用CAD技术是计算机辅助设计技术的简称，它在汽车发动机零部件的设计与优化中扮演着重要的角色。
通过CAD技术，设计师可以使用计算机软件进行三维建模、虚拟组装和仿真分析，从而减少传统手工绘图的时间和成本，提高设计效率和精度。
3. 发动机零部件设计与优化的关键因素3.1 材料选择材料的选择对于发动机零部件的性能和可靠性至关重要。
不同材料的机械性能、热膨胀系数和热传导性能将直接影响发动机的工作状态和寿命。
通过CAD技术，设计师可以对不同材料进行材料力学性能分析和耐久性测试，以确保材料选择的合理性。
3.2 结构设计发动机零部件的结构设计直接关系到其强度和刚度。
通过CAD技术，设计师可以进行结构优化分析，找到最佳的结构设计方式，减少零部件的重量和体积，同时提高其强度和可靠性。
3.3 流体力学分析发动机零部件的流体力学性能对于发动机的工作效率和能耗有着重要的影响。
通过CAD技术，设计师可以对零部件的流路进行计算流体力学分析，优化零部件的形状和布局，提高流体的传输效率，并减小能耗。
4. 汽车发动机零部件设计与优化案例4.1 汽缸盖的设计与优化汽缸盖作为汽车发动机的关键部件之一，对于发动机的工作效率和散热性能有着直接影响。
通过CAD技术，设计师可以进行汽缸盖的结构设计和散热优化分析，提高其强度和热传导性能，同时减小重量和体积。
4.2 气缸套的设计与优化气缸套是发动机中关键的密封部件，直接影响着汽缸的工作效率和稳定性。
汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析
汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析摘要：本文对汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性进行分析，创建D6114B发动机的仿真动力学模型，利用ANSYS有限元分析软件软件得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据，分别对活塞、曲轴、连杆的受力进行分析，研究进油口、润滑油槽位置布置，为发动机机械构造设计提供参考。
关键字：发动机；曲柄连杆机构；动力学曲柄连杆机构的动力学特性对于汽车发动机的可靠性、振动效果、噪声等有很大关联，利用机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）创建D6114B发动机的仿真动力学模型，分析发动机曲柄连杆机构的曲轴、连杆的模态数据，对准确的掌握D6114B发动机曲柄连杆机构的零部件动力学特性具有一定的参考价值。
1. 汽车发动机曲柄连杆机构动力学模型汽车发动机曲柄连杆机构是由缸体、曲轴、连杆、飞轮活塞，构成。
上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构如图1所示图1上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构图缸体与曲轴连接铰链中有一条为转动铰链，其余为圆柱铰链，飞轮与曲轴固定，连接杆与曲轴之间的连接采用转动铰链，其大头一端连接曲轴，小头一端连接活塞，活塞与缸体之间采用圆柱铰链连接。
利用以上模型的各个部件的几何位置参数和质量参数建立CAD数据模型，传入给机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）进行分析和计算，活塞1-8作用在各缸体气压力学特性输入ANSYS如图1所示：图1 发动机各缸气体压力特性得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据结果如表1所示模态阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10频率124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1841.1 947.2模态阶数11 12 13 14 15 16 17 18 19 20频率1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 17451862.5 2394.92. 曲柄连杆机构动力学分析当对活塞逐级施加压力0-12/104pa，对应曲轴转速2200r/min，活塞运动其对气缸的侧推力在-7804~6960N之间周期性变化，侧推力对汽缸壁的磨损影响很大。
基于CAD的汽车发动机设计与优化
基于CAD的汽车发动机设计与优化汽车发动机是汽车的核心部件，它的设计和优化对汽车性能和燃料效率至关重要。
CAD（计算机辅助设计）技术在汽车发动机设计与优化中起到了重要的作用。
本文将探讨基于CAD的汽车发动机设计与优化的相关技术和方法。
一、CAD在汽车发动机设计中的应用现代汽车发动机的设计过程中需要进行复杂的几何建模、运动仿真和流体分析等工作。
传统的手工绘图和计算方法已经无法满足发动机设计的需求。
而CAD技术的出现使得设计人员可以使用计算机软件进行发动机的三维建模和仿真分析，大大提高了设计的准确性和效率。
1. 发动机三维建模CAD软件可以通过简单的几何操作和参数化设计，快速生成发动机的三维模型。
设计人员可以根据要求进行形状、尺寸和布局等方面的调整，通过多个视角查看和评估设计方案的合理性。
并且CAD软件还可以生成部件的零件图和装配图，便于制造和装配。
2. 运动仿真分析利用CAD软件的动力学仿真模块，设计人员可以对发动机的运动进行仿真分析。
通过对各个部件的运动轨迹、速度和加速度等参数的计算和分析，可以评估发动机的可靠性和性能。
仿真分析还可以帮助优化发动机的结构和构造，提高燃烧效率和机械效率。
3. 流体分析发动机内部的流体流动对发动机的性能和效率有着重要影响。
利用CAD软件的流体力学分析模块，设计人员可以对发动机内部的流体流动进行模拟和分析。
通过分析气流、燃油喷射和燃烧过程等，可以优化进气和排气系统、燃烧室的形状和结构，提高燃烧效率和排放性能。
二、基于CAD的汽车发动机设计优化方法在汽车发动机的设计和优化过程中，借助CAD技术可以采用多种方法进行优化。
1. 参数化设计和优化参数化设计是指对发动机设计过程中的关键参数进行建模和优化。
通过对发动机的几何、运动和流动参数进行建模和优化，可以寻找最佳的参数组合，达到最优的设计效果。
参数化设计还可以使用计算机算法自动搜索和优化参数空间，大大提高了优化过程的效率。
2. 拓扑优化拓扑优化是指对发动机的结构进行优化，以达到最佳的强度、刚度和重量等综合性能。
曲柄连杆式飞剪机减速器CAD系统设计
＝ Ｌ ａ ｐ ｌ ａ ｏ 项 ， ＞ ｏｄ Ａ ｐｉ ｔ ｎ ｃｉ 打开“ ｏ ｄＵ ｌ ｄ Ａｐ ｌ ａ Ｌ ａ／ ｎｏ ｐｉ ｔ ａ ｃ
表示需要返回参数设计界面重新设定参数。
ｉｎ” ｏｓ对话框 ， 加载应用程序 ， 成功后关闭该对话框 。
（ 几何参数设计 ２）
首先在 Ａ ｔＣ Ｄ命令栏 里输 入“ｄ ，自动弹 出 ｕｏ Ａ ｃ” “ 系统欢迎界面” ，如 图 ２所 示。用户点击该对 话框
下面的“ 下一步” 按钮 进入“ 参数化设计 界面” 。 在“ 参数化设 计界面” ，如图 ３（ ） ａ 所示 。需要
匝亘础自 固 ！ 兰！ 曼 ｊ
图 ４ 参数 优化界面
输入最大剪 切力 、高速齿轮速 度以及传 动比 ，系统 根据设定 的参 数算出 飞剪减速器 的最大传 递功率 ，
点击计算按钮 ，系统将 自动输出各种相关数据 ，包
括 齿轮 的模数 ，中心距 ，以及 齿宽 。
据或者根据 参数化设计所生 成的数 据 ，自动绘制所 需 的零件工程 图和减速器整体工程 图。 １３ 系统 总体 结 构 －
本 Ｃ Ｄ系统的程序设计分为如下四大部分 ： Ａ 基 本参数程序设 计 ；参数优化程序设计 ；界面功能的
图 ２ 系统 欢 迎界 面
程序设计； 参数化绘制工程图的程序设计。系统操
作流程 图如 图 １ 。
默
￥
№
～一
Ⅱ
矗☆ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
面 ～ ｅ． ／ｉ ｎ
一 一 ㈨
＊ 罩 功
ｉ而 磊 面 ）
曲柄连杆机构的优化设计研究
曲柄连杆机构的优化设计研究发布时间：2021-05-05T13:22:40.941Z 来源：《中国科技人才》2021年第4期作者：周银晓[导读] 汽车发动机由两大机构(配气机构、曲柄连杆机构)和五大系统(燃油系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统)组成。
郑州飞机装备有限责任公司【摘要】：结构最优化设计是指在给定结构的类型、材料、布局拓扑和几何外形的情况下，优化各个组成构件的界面尺寸，使整体结构达到预期效果(降低成本、提高刚度或控制振动等)。
曲柄连杆机构是发动机的两大机构之一，它的尺寸大小直接影响发动机的体积和重量，因此设计出重量轻而各方面性能又达到要求的曲柄连杆机构是一项重要的工作。
【关键词】：曲柄连杆机构；原则；优化设计引言汽车发动机由两大机构(配气机构、曲柄连杆机构)和五大系统(燃油系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统)组成。
随着汽车行业的不断进步对汽车各种性能要求也在不断提高。
最新研究表明，低噪声发动机的设计已成为一个重要的研究方向，其中研究的重点是具有高平衡性的曲柄连杆机构。
1.曲柄连杆机构结构设计概述曲柄连杆机构由活塞组件、连杆组件、曲轴飞轮组件、滑动轴承组件、扭转减震器等构成。
曲柄连杆机构将气体力转化为曲轴对外输出的扭矩。
曲柄连杆机构基本尺寸见图1:图1 曲柄连杆机构基本尺寸图曲柄连杆机构设计的主要内容:（1）分析曲柄连杆运转过程中受力条件。
如图2-3，曲柄连杆机构受高温高压燃气的气体力、运动惯性力等各种激振力。
（2）系统简化当量系统换算。
把复杂的曲轴和传动机构按照动力学等效原则换算成运转特性与之相同的简化的当量系统。
（3）各个部件进行受力分析，进行强度校核。
详细见第三章零部件设计。
（4）曲轴系是细长轴系，故曲柄连杆机构在运转中存在各种形式的振动，因此曲柄连杆的系统设计重在通过关键结构尺寸设计，使曲柄连杆机构不仅满足强度等耐久指标外，还要达到较优的振动噪音水平。
2.曲柄连杆机构的优化设计3.1曲柄连杆机构的NVH设计发动机需要不断的降低摩擦来实现较高的机械效率，对于Px增压发动机，在燃烧爆发压力相对NA基础机型增加很大的情况下，保持曲轴轴颈尺寸不变，本身就是一种低摩擦设计思路。
发动机曲柄连杆机构的CAE分析
发动机曲柄连杆机构的CAE分析CAE技术主管培训 郭 磊 杭州 09.7.10PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 结构分析平台EXCITE中的软件工具 AST – 结构平台Structure Dynamics Hydraulics曲柄连杆机构设计分析 结构系统动力学, 耐久性与 振动声学分析配气阀系与正时传动系统的 动力学分析活塞与环组动力学 窜气与滑油消耗燃油喷射系统分析EXCITE PU软件是NVH特性和 耐久性计算的核心软件EXCITE Timing Drive, EXCITE Piston & Rings and HYDSIM计算得到的载荷 ，可以作为EXCITE PU整机分析中的附加载荷Drive Cycle Simulation车辆动力学: 驾驶操控, 燃油经济性, 尾气排放Figure No.2PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 EXCITE的模块配气阀系运动学与动力学分析 正时传动系动力学计算 动力总成NVH (声学响应)弹性液力润滑EHD分析Durability & NVH曲柄连杆机构Combustion & Emissions Vehicle Thermal Management设计分析Platform ConceptAerodynamics & Aeroacoustics Driving Comfort & Calibration活塞体二阶运动,环组动力学 窜气量和润滑油消耗 部件瞬态强度和耐久性分析Figure No.3PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 曲柄连杆机构动力学模型 如何建立反映实际条件的发动机动力学模型?曲柄连杆机构是主要的动力学系统Figure No. 4PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 结构开发中的模型阶段曲轴系三维动力学分析 概念设计阶段结构件声学分析动力总成及整车传动系耦合分析Development Process曲轴系设计参数分析 概念设计阶段 曲柄连杆系运动件强度分析 发动机系统NVH分析 (包括动力总成悬置振动)建模过程中需要明确: 根据分析目标来选择合适的模型深度； 项目不同阶段可获得的数据限值Figure No. 5PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 模型深度和复杂度部件级 – 子系统级 – 系统级产品概念设计阶段的应用模型详细分析、定型设计及产品优化阶段的应用模型Figure No. 6PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 发动机核心运动系统－曲柄连杆机构Figure No.7PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 曲柄连杆机构的设计分析－概念设计阶段 曲轴轴系在概念设计阶段的分 析任务AVL EXCITE Designer ：lCS 3D Dynamic Analysis Concept PhaseNVH AnalysisDevelopment ProcessCS Design Analysis Concept Phase Component Strength Analysis Drive Train Dynamic Analysis一维液力轴承特性计算（主轴承、连 杆大小、头轴承） 曲轴轴系的扭转振动分析（1维模型） 由CAD模型形成振动当量模型（自动） 扭转振动固有频率计算 扭转振动响应计算 曲轴减振器设计和优化 飞轮组件概念设计（惯量、几何） 经典方法的曲轴强度及安全系数校核 曲轴系的平衡分析l l l l l l l lFigure No.8PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 曲轴轴系概念阶段－建模Designer模型 Designer模型双击à 双击àShaftModeler模型 ShaftModeler模型Figure No.9PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 分析过程 轴承负荷Bearing Loads曲柄负荷Web Loads静态扭矩Static Torques质量数据Mass Data扭转刚度Torsional Stiffness扭振计算Torsional Vibration Calculation液体动力轴承计算Hydrodynamic Bearing Calculation曲轴强度计算Crankshaft Strength Calculation曲拐优化 Crankthrow OptimizationFigure No. 10PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 输入数据1维液动轴承分析载荷和轴承计算结果轴心轨迹轴承载荷1维液动轴承分析最小油膜厚度最大油膜压力最大单位载荷摩擦损失n A –最小油膜厚度,持续时间长,若小于完全润滑条件,会危险n B –轻负荷区,应在该处开油孔或油槽n C –因高速向心运动,使油楔中出现局部真空,形成,高速离心时气泡破裂,使瓦表面产生穴蚀n D –多次高速离心运动,油膜压力剧增,造成合金疲劳脱落ADC轴心轨迹Orbital Path 1维液动轴承分析NodeElementInline 4-Cylinder Engine轴系扭振当量系统扭振计算结果临界转速扭振系统模态和固有频率扭振计算结果扭振振幅-时域扭振振幅-各谐次随转速变化车用发动机曲轴轴系的扭振评价重点是发动机转速范围内的各谐次结果：其中，扭矩波动谐次的角振幅包涵了刚性体的运动。
毕业设计（论文）-发动机曲轴连杆机构仿真及有限元分析设计-adams
全套图纸加扣 3012250582曲轴连杆活塞组件虚拟样机的建立学院名称：机械工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化0501 班学生姓名：号：学指导教师：2009 年6 月摘要柴油机的气缸、活塞、连杆、曲轴以及主轴承组成一个曲柄连杆机构。
柴油机通过曲柄连杆机构，将活塞的往复运动转换为曲轴的回转运动，使气缸内燃油燃烧所产生的热能转变为曲轴输出的机械功。
可见，曲柄连杆机构是柴油机重要的传力机构。
对其运动和受力情况进行分析和研究，是十分必要的。
这种分析研究既是解决柴油机的平衡、振动和总体设计等课题的基础，也是对其主要零部件在强度、刚度、磨损等方面进行计算和校验时的依据。
本文在曲柄连杆机构理论分析的基础上，利用多体动力学理论，三维造型软件Pro/E 及动力学分析软件ADAMS对内燃机曲柄连杆机构的动力学问题进行了虚拟样机仿真分析。
并以CT484Q柴油机为研究对象，在Pro/E中建立CT484柴油机曲柄连杆机构的虚拟样机模型，导入ADAMS中进行动力学分析，绘制出虚拟样机模型中各连接位置处受力仿真结果曲线。
通过本文的研究，展示了一种简捷、高效的机械设计分析手段，对今后同类型的研究乃至更大规模的仿真分析积累了一些经验。
本文的研究也可以为今后内燃机机构的造型、优化设计提供参考依据。
关键词：内燃机，曲柄连杆机构，ADAMS，虚拟样机，仿真AbstractThe Cylinder, piston, connecting rod, crankshaft and main bearings of diesel engine Compose of a crank-connecting rod mechanism. Through the crank-connecting rod mechanism, Diesel engine convert the piston reciprocating motion to the rotary movement of the crankshaft, and make the cylinder generated by fuel combustion energy into mechanical work output of the crankshaft. This shows that diesel engine crank linkage is an important body for transmission force. It is necessary to analysis and research its movement and force. This analysis is the foundation to solve the balance of diesel engine, vibration and overall design, It is the basis for validate and calculate the strength, stiffness, wear, etc.In this paper, based on the theoretical analysis of crank-connecting rod mechanism, use of multi-body dynamics theory, and use the three-dimensional modeling software, Pro/ E and the dynamic analysis software ADAMS to carry out crank and connecting rod for internal combustion engine body dynamics simulation of a virtual prototype simulation. And study CT484Q Diesel Engine, established linkage of the virtual prototype of diesel engine model In Pro/ E, then do dynamic analysis in ADAMS and draw the connection position of the power curve for the simulation result.Through this paper, the study demonstrated a simple and efficient means of mechanical design and analysis for future research as well as the same type of simulation analysis and accumulate some experience. The study of this paper can provide reference for the modeling and optimal design.Key words: Internal Combustion Engine, Crank-connecting rod mechanism, ADAMS, Virtual Prototyping目录第一章绪论··················································1.1 研究的意义···············································1.2 内燃机曲柄连杆机构的工作特点以及难点·····························1.3 国内外研究及手段···········································1.3.1计算机辅助设计（CAD）·····································1.3.2 多体动力学分析（MBS）···································1.3.3 有限元分析···········································1.3.4优化设计理论··········································1.4 主要研究内容和方法··········································第二章曲柄连杆机构的动力学理论分析·······························2.1 内燃机工作过程分析··········································2.1.1压缩始点气体状态·········································2.1.2压缩终点气体状态········································2.1.3燃烧过程及燃烧终点气体状态·································2.1.4膨胀终点气体状态········································2.2 曲柄连杆机构的运动分析·······································2.3曲柄连杆机构的动力学分析······································2.3.1曲柄连杆机构的质量换算····································2.3.2曲柄连杆机构的惯性力和惯性力矩······························2.3.3曲柄连杆机构的动力学分析··································2.4 内燃机工作过程计算··········································第三章曲轴连杆活塞组件的虚拟样机································3.1Pro/E 系统的建模原理及其特点····································3.1.1参数化设计············································3.1.2 特征建模的基本思想······································3.1.3全相关的单一数据库······································3.2 曲柄、连杆、活塞组件几何模型的建立以及装配··························3.2.1活塞组件的建模·········································3.2.2 连杆组建的建模········································3.2.3曲轴组件的建模·········································3.2.4曲轴连杆活塞组件的总装配···································第四章曲柄连杆机构的运动学和动力学分析·····························4.1ADAMS简介及其基本原理·······································4.1.1 运动学和动力学基本概念···································4.1.2 ADAMS中多刚体动力写方程的建立······························4.2ADAMS 中的运动学和动力学分析···································4.2.1 曲柄连杆机构刚体模型的转化和输入·····························4.2.2 曲轴轴系多刚体动力学仿真分析·······························第五章结论与展望·············································5.1 总结····················································5.2 展望····················································致谢························································参考文献·····················································附录·························································第一章绪论1.1研究的意义内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，自1860年法国人设计出第一台煤气发动机以来，内燃机无论是在结构上还是在性能上都较以前有了很大的进步。
p056_280柴油机曲轴-连杆-活塞机构的运动学、动力学仿真分析
280柴油机曲轴-连杆-活塞机构的运动学、动力学仿真分析马哲树姚寿广肖民江苏科技大学机械与动力工程学院280柴油机曲轴-连杆-活塞机构的运动学、动力学仿真分析马哲树姚寿广肖民（江苏科技大学机械与动力工程学院江苏镇江 212003）摘要：提出了基于Solidworks和MSC.VN4D平台对柴油机主要运动机构进行多刚体系统运动学动力学仿真的具体解决方案，并基于此方案对PA6-280标准型柴油机的曲轴-连杆-活塞机构进行了运动学和动力学仿真分析。
仿真得到的机构运动学和动力学特性，与理论计算结果吻合较好，可为该型柴油机的曲柄连杆机构的优化和改进设计提供依据。
关键词：运动学仿真；动力学仿真；柴油机；虚拟样机一、前言为了降低产品的生产周期、降低成本、提高产品质量，在机械系统中预先或在生产过程中对其中的零部件进行基于模拟仿真方法的物理场（如应力应变场、温度场等）分析已经得到了非常广泛的应用。
工程中复杂运动机构的运动学、动力学特性，往往很难通过理论计算的方法来获得，借助于功能强大而可靠的基于多刚体系统动力学的仿真软件系统（如Adams和MSC.VN4D等）通过大量的计算可以得到机构中各个运动副实时的运动学动力学性能曲线，这种方法正在掀起机构特性仿真研究的热潮。
多刚体系统动力学是在经典力学的基础上产生的新学科分支，多刚体系统是由多个刚体用各种形式的连接器连接组成的，连接两个刚体的连接器称为铰链，每个铰链连接的刚体偶对称为邻接刚体。
从约束和受力的角度来看，在铰链中可以含有任何性质的运动学约束和相应的约束反力，也可以不含有运动学约束。
实际工程中的许多复杂机械系统都可以简化成多刚体系统。
MSC.VN4D是一个集成了运动学、动力学仿真和有限元分析功能的软件系统。
其具有的主要功能包括：通过自动载荷转换技术对载荷实现自动转换；有限元网格自动划分；可扩充的材料库；可以提供静力、屈曲、自由模态等分析类型；可以直接读取MSC.Nastran 的二进制结果输出文件；可以同时打开多个窗口，从不同角度观察机构运行情况，还可以对多个窗口进行渲染处理；以动画形式显示有限元的计算结果；可以将结果输出为A VI格式、文本格式、HTML格式、VRML格式等。
发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真的开题报告
发动机曲柄连杆机构三维建模与性能仿真的开题报告一、选题背景随着汽车行业的快速发展，发动机作为汽车的心脏，其性能的提升对整个汽车行业的发展起到了重要的作用。
而曲轴连杆机构作为发动机的核心部件之一，其设计对发动机性能具有非常重要的影响。
因此，对发动机曲轴连杆机构的设计和性能进行研究具有重要的工程实践意义。
二、选题意义通过对发动机曲轴连杆机构的建模和仿真研究，可以更好的理解该机构的结构和工作原理，对其性能进行评估和改进。
同时，可以通过仿真数据来优化发动机部件的材料和结构设计，降低发动机的噪声、振动和磨损等方面的问题，提高发动机的性能和可靠性，推动汽车行业的发展。
三、研究内容本次研究的主要内容包括：1. 基于SolidWorks等三维建模软件对发动机曲轴连杆机构进行建模。
2. 在ANSYS等有限元仿真软件中对机构进行静态和动态仿真，对机构的应力、变形、动态特性等进行分析。
3. 充分利用仿真数据，从材料、结构等方面对曲轴连杆机构的设计进行优化和改进，提高发动机的性能和可靠性。
四、研究计划1. 第一阶段（1月份）：对发动机曲轴连杆机构进行调研和市场分析，研究发动机曲轴连杆机构的设计理论和仿真方法。
2. 第二阶段（2-4月份）：建立机构的三维模型，并进行静态和动态分析，根据分析结果对机构进行优化设计，并进行有限元仿真。
3. 第三阶段（5-7月份）：分析仿真结果，评估曲轴连杆机构的性能和可靠度，对机构进行再次优化设计，并进行冲击试验。
4. 第四阶段（8-9月份）：编写论文，撰写实验报告，并进行实验成果展示。
五、研究预期成果本次研究的预期成果主要包括：1. 建立发动机曲轴连杆机构的三维模型，并进行静态和动态有限元仿真。
2. 分析机构的实际性能和可靠度，并对其进行优化设计。
3. 发表一篇学术论文和撰写一份实验报告，并进行实验成果展示。
4. 提高个人的建模和仿真技能，并对发动机的设计和性能有更深入的了解。
六、结论发动机曲轴连杆机构的性能对整个发动机的性能具有重要影响，因此进行其三维建模和性能仿真研究具有重要的实践意义。
汽车发动机曲柄连杆机构分析与应用
谢谢观赏
WPS Office
Make Presentation much more fun
@WPS官方微博 @kingsoftwps
平面机构的构件及其类型
构件是机构彼此相对运动的运动单元体。一个构件可以是 一个单独制造的零件，如连杆；也可以是由若干零件联接 构成的组合体。 构件依其在机构中的功能分为机架、主动件、联运件和从 动件。机架是机构中相对静止,支承各运动构件运动的构件 ；主动件又称为原动件或输入件，是输入运动和动力的构 件；从动件又称为被动件或输出件，是直接完成机构运动 要求，跟随主动件运动的构件；联运件是联接主、从动件 的中介构件。
未连接前总自由度：
3n
2P 连接后引入的总约束数： L+PH
机构自由度F：
F=3n-(2PL+PH)
三.计算平面机构自由度的注意事项
1复合铰链： m个构件(m3)在同一处构成共轴线的转动副， 形成(m-1)个低副。
(3-1)个铰链
2 3 5
要正确计算运动副数目
应去掉！ 2 局部自由度： 机构中会出现这样一类的自由度，它的存在与否 都不影响整个机构的运动规律。
c)
2 高副
两构件通过点或线接触组成的运动副
齿轮副
凸轮副
高副
运动链: 若干构件通过运动副联接而成的可动系统
若将运动链中的一个构件相对固定，运动链则成为机构。 机构中构件的分类： 1、机架（描述运动的参考系） 2、原动件（运动规律已知的构件） 3、从动件
§2
平面机构的运动简图
一. 概述
机构各部分的运动，取决于：
3.虚约束
应去掉！
① 两个构件组成多个轴线重合的转动副或组成多个方向一致 的移动副时，只需考虑其中一处的约束，其余的均为虚约束。
发动机曲柄连杆机构动力学分析西安交大理论力学实验报告
理论力学小组作业之动力学：发动机曲柄连杆机构分析小组成员：1.背景分析具体问题：如图所示发动机曲柄连杆机构:求该机构中活塞的运动、各部分的受力以及输出的力矩。
2.建模与分析1.力学模型：2.条件限制：1.不计摩擦；2.不计AB杆重；3.下方转动部分质心在轴O上；4.活塞A受缸内恒定的气体压力F；5.活塞A质量m1,转动部分OB质量m2。
3.运动分析：对活塞A ：cos cos A A x y R L αβ==⋅+⋅ 令R Lλ=，由正弦定理，sin sin R L βα=得cos β=由泰勒公式展开，得224466111cos 1sin sin sin 2816βλαλαλα=----… 而实际中，13λ<，故舍掉高次项，得()22211cos 1sin 11cos 224βλαλα=-=-- 故()01cos 1cos 24A A x y R λααλ=⎡⎤=+--⎢⎥⎣⎦则 sin sin 22A A dy v R dt λωαα⎡⎤==-+⎢⎥⎣⎦ (发动机转速为n 时，匀角速30n πω=) ()2cos cos 2A A dv a R dtωαλλ==-+2 4.受力分析由于不计AB 质量，故AB 杆为二力杆，受力沿杆方向。
活塞A 收到上方气体的压力F ，器壁的反作用力F N ，杆AB 的弹力F T ，自身重力m 1g ，在器壁内做上下往复平动，再引入惯性力F g ：()211cos cos2g A F m a m R ωαλλ==-+2由平衡条件，有10= F sin 0cos x N T y T g FF m g ββ=⋅=⋅=++∑∑ ； F ； F F F解得 ()()2112cos 2cos 2111cos 24g T F m g m R F ωαλαλα+-+=--转轮上B 处受力沿AB 杆方向，将其分解为切向力和法向力：()()sin cos T T n T T F F F F ταβαβ=⋅+=⋅+其中，切向力T F τ提供转动的力矩，法向力n T F 对转轴O 施加压力。
连杆工艺设计及有限元分析(有cad原图)
本科毕业设计论文题目连杆工艺设计及有限元分析目录摘要 (3)ABSTRACT (4)第一章绪论 (5)1.1课题研究的意义 (5)1.2国内外现状 (5)1.3论文的章节安排 (6)第二章连杆零件的分析 (7)2.1连杆的作用 (7)2.2连杆的结构特点 (7)2.3连杆的工艺分析 (7)2.4连杆的材料和毛坯 (9)第三章连杆零件的工艺编制 (10)3.1连杆机械加工工艺过程 (10)3.2连杆工艺过程的安排 (22)3.3连杆工艺设计存在的问题 (15)3.3.1工序安排 (15)3.3.2定位基准 (15)3.3.3夹具使用 (15)3.3.4切削用量的选择原则 (15)3.4连杆机械加工工序卡片 (11)第四章连杆受载荷情况下的有限元分析 (27)4.1 连杆的有限元分析过程和结果................................... 错误！未定义书签。
第五章总结与展望 . (27)5.1 论文总结 (39)致谢 (40)参考文献 (41)毕业设计小结 (42)摘要连杆是主要传动件之一，本文主要论述了连杆的加工工艺及有限元分析。
连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，而连杆的刚性比较差，容易产生变形，因此在安排工艺过程时，就需要把各主要表面的粗精加工工序分开。
逐步减少加工余量、切削力及内应力的作用，并修正加工后的变形，就能最后达到零件的技术要求。
本次设计通过AUTOCAD画出零件图，并且进行工艺编制。
连杆的尺寸精度、形状精度以及位置精度的要求都很高，且连杆的刚性比较差，容易产生变形。
并且用PRO/E 对连杆做有限元分析，查看连杆的受力情况。
关键字：CAD，工艺编制，有限元分析ABSTRACTLinkage is one of the main transmission parts, this article discusses the link processing technology and finite element analysis. Link dimensional accuracy, position accuracy and shape accuracy requirements are high, and the relatively poor rigidity of the connecting rod, easily deformed, and therefore arranged in the process, the rough finishing process requires the separation of the major surfaces. Gradually reduce the allowance, cutting forces and internal stress and distortion correction after processing, we can finally meet the technical requirements of the part.The design of the parts diagram drawn by AUTOCAD, and perform process planning. Link dimensional accuracy, position accuracy and shape accuracy requirements are high, and the relatively poor rigidity of the link easily deformed. And using PRO / E for the link to do finite element analysis, see link stress situation.KEY WORDS: CAD，Process planning ，Finite Element Analysis第一章绪论1.1课题研究的意义随着科学技术的发展，我们的生活越来越便捷。
基于CAD技术的汽车发动机设计与优化
基于CAD技术的汽车发动机设计与优化CAD技术（计算机辅助设计）作为一种计算机技术，在汽车发动机设计与优化方面发挥了巨大的作用。
本文将介绍基于CAD技术的汽车发动机设计与优化的方法和技巧，以及它对汽车工业发展的影响。
一、CAD技术在汽车发动机设计中的应用在过去，汽车发动机设计主要依靠手工绘制的技术，工作效率低下，设计结果也难以满足复杂的要求。
然而，随着CAD技术的发展，设计师能够更加准确、高效地进行汽车发动机设计。
1. 三维建模CAD技术可以将汽车发动机的各个组成部分进行三维建模，使设计师可以清楚地了解每个零部件的形态和位置关系。
通过对整体结构的可视化，设计师可以更好地进行综合分析和优化设计。
2. 参数化设计CAD技术支持参数化设计，即通过设定一些关键参数，自动生成不同方案的设计结果。
对于汽车发动机设计而言，参数化设计可以快速生成各种可能的设计方案，然后进行评估和比较，以找到最佳解决方案。
3. 动态仿真CAD技术可以进行动态仿真，即通过数值计算和模拟，对汽车发动机在运行时的性能进行评估。
通过模拟不同工况下的运行情况，设计师可以优化发动机的工作参数，提高其性能和可靠性。
二、基于CAD技术的汽车发动机优化方法通过CAD技术的支持，设计师可以进行针对汽车发动机的优化设计。
1. 材料优化CAD技术可以帮助设计师模拟和分析不同材料在汽车发动机中的应用效果。
通过材料仿真和评估，设计师可以选择最合适的材料，以提高发动机的强度、降低重量和改善耐久性。
2. 流体动力学优化CAD技术结合流体动力学仿真功能，可以对发动机内部流动进行模拟和分析。
通过改善进气道、燃烧室和排气道等部分的设计，优化流体动力学性能，提高燃烧效率和动力输出。
3. 结构优化CAD技术可以模拟分析发动机组成部分的受力情况，并进行结构优化设计。
通过优化部件的形状、布局和连接方式，提高发动机的结构强度和可靠性。
三、CAD技术对汽车工业发展的影响CAD技术在汽车工业发展中起到了重要的推动作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
文章编号:1000-0909(2001)03-0283-04190062发动机曲柄连杆机构CAD 系统的研究徐 斌,宋宝玉,王兆海,金 强(哈尔滨工业大学汽车工程学院,山东威海264209) 摘要:主要针对发动机曲柄连杆机构,详细论述了基于特征的参数化设计方法;并利用V isual C++对Pr o /Engineer 进行二次开发,建立发动机曲柄连杆机构CAD 系统。
本系统的应用,快捷有效地支持了曲柄连杆机构的设计开发。
关键词:计算机辅助设计;曲柄连杆机构;特征;参数化中图分类号:T K 406;T P 302 文献标识码:A引言 发动机市场日益激烈的竞争要求不断缩短产品开发周期、降低成本以及提高产品质量,这使得采用先进的设计方法及计算机辅助设计手段成为必然。
目前国内引进了不少大型C AD 软件来辅助设计,然而通用软件只能在某一方面支持设计的进行。
根据设计对象的需要,对通用软件进行二次开发,将专业设计知识与软件功能紧密结合是利用软件进行计算机辅助设计的关键。
曲柄连杆机构作为发动机的重要组成部分,其设计过程是发动机设计的重要一环。
汽车发动机曲柄连杆机构计算机辅助设计系统的开发,正是为了提高发动机产品的设计水平,缩短产品开发周期,以适应产品面向市场竞争的需要。
1 曲柄连杆机构CAD 系统的结构 曲柄连杆机构CAD 系统的结构与产品设计行为相一致。
首先要控制各设计阶段的执行顺序,其次应能在每一设计阶段根据当前问题的特点采用合适的操作方法,完成设计模型的变换。
图1所示为发动机曲柄连杆机构计算机辅助设计系统结构图,它具有以下功能和特点: (1) 建立曲柄连杆机构设计过程模型,将设计过程划分为若干个设计子过程,实现各子过程的功能规范化、结构模块化; (2) 在曲柄连杆机构设计不同子过程中建立合适的抽象层次设计模型; (3) 根据设计对象当前的状态实现设计子过程的控制; (4) 建立设计对象间的参数传递机制,实现参数的一致性; (5) 将各专业领域的理论、知识转化为设计工具; (6) 采用合适的人机交互技术支持设计。
图1 计算机辅助设计系统结构Fig .1 System structure of the computer aided design第19卷(2001)第3期 内 燃 机 学 报Transactions of CSICE V o l .19(2001)No .3收稿日期:2000-08-20;修订日期:2000-11-27。
基金项目:哈尔滨工业大学杰出青年学术带头人基金资助项目。
作者简介:徐 斌(1962-),男,教授,主要研究方向为内燃机现代设计方法。
2 基于特征的参数化设计 发动机曲柄连杆机构计算机辅助设计系统主要应用了基于特征的参数化设计方法。
通过特征的定义、分类及特征库的建立解决了几何模型无法表达非几何工程信息的缺点,并且为曲柄连杆机构中复杂的各种相似零件模型的计算机辅助生成和信息的重复使用提供了实现基础;而参数化使得计算机中各种不同模型间的信息交换得以实现。
2.1 特征的定义、分类及表达 由于工程应用的多样化、特征对应用的依赖性以及特征视角的多态性等诸多因素的制约,面向各种应用的特征定义和分类尚未得到统一[1],但其性质和作用是一致的。
首先,特征是底层几何元素与零件间信息联系的桥梁,将构成自身的几何元素有机地结合起来,形成能够表达特定功能、具有一定结构的信息单元;其次,特征的组成元素可以作为其它过程信息的载体,使得与应用相关的产品信息能够借助于特征而得到表达;再者,特征本身蕴含着特定应用的相关过程及处理方法。
因此,广义地讲,特征是用于产品信息完整表达的信息集合单元。
具体地说,特征是一类在产品构成层次中逻辑上相对独立、表达特定功能需求、具有一定几何和拓扑属性的抽象单元,可用来构成一定的功能结构。
所以,结合本文的研究内容,将设计对象的一定语义和结构形状抽象为特征。
形状结构信息是特征定义体系的核心及基础,主要表达了特征的基本几何信息。
为了能够支持广泛的应用过程,应该可以在其基础上引入非几何信息,如公差、精度等。
形状结构信息主要依据设计对象构成中的几何同构性、拓扑同构性及几何相似性等来定义。
语义信息则主要指在不同的应用领域、阶段而不同的功能含义,它表达了特征的某些属性。
依据不同的应用,在产品生命周期中,可以对特征赋予各种不同的语义信息,主要有设计语义信息和制造语义信息等。
对特征应用的侧重点不同,决定了对特征分类的不同。
一般特征可以被分为形状特征、材料特征和精度特征等;而依据语义信息,又可以把特征分为设计特征、制造特征和装配特征等[3]。
由于形状结构是本系统的主要研究内容,而其它如材料、技术等信息在曲柄连杆机构中为各特征所公用,所以本系统特征的分类方法主要指形状特征的分类。
针对本系统的特点,形状特征可分为体素特征、复合特征。
其中体素特征是指由单个广义的体素(可以是基本形体特征,如圆柱体;也可以是变换特征或基准特征,如铸造圆角或辅助面)构成的特征。
根据特征抽象和最小几何表示的原则[2],体素特征又可以进一步分为孔类特征、槽类特征、圆角特征、隆起特征、切割特征、扭拉特征及基准特征等。
复合特征指由2个或2个以上体素构成的具有一定工程意义的特征。
定义复合特征可以使设计人员根据实际应用的需要,利用基本体素特征组合生成,以表达设计对象中普遍存在的几个体素特征的组合,有利于特征的操纵与管理。
特征信息包括几何信息和非几何信息。
几何信息采用显式的表示方法,即以实体为基础,通过CSG/B-rep混合型数据结构表示。
其中CSG数据结构为主体,起主导作用,可以定义体素,描述特征的定位和定形参数,并提供体素的运算,为特征的组合建立基础;而以B-rep数据结构为CSG节点的扩展,完整地表达特征的几何、拓扑信息。
非几何信息如特征的精度、材料、技术及管理等信息,多采用隐式的描述方法。
在复合特征中,各体素特征之间的关系包括邻接关系和亲子关系。
邻接关系为同时依赖于某一特征的2个或多个特征间的关系。
如果某一特征依赖于另一特征,则称这两特征间存在亲子关系,前者称为子特征,后者称为父特征。
对于复合特征结构,仍然用二叉树结构来表示,且左子树节点表达亲子关系,右子树节点表达邻接关系,特征间关系由二叉树的结构决定。
对邻接关系的特征而言,先加入的特征为父节点,后加入的特征为右子节点;对于亲子关系的特征来说,子特征作为父特征的左子节点。
2.2 特征的参数化 在定义了特征,并对其进行分类及表达之后,即可以通过特征拼合出零件模型。
零件模型中最为重要的是记录各组成特征间关系的特征关系树,以类似复合特征的二叉树数据结构表达,即左子节点表示子特征,右子节点表示邻接特征。
零件模型的建立过程实质上是在其特征关系树中添加或删除特征,并对其尺寸参数赋值的过程,即特征的参数化过程。
对于体素特征形位尺寸的参数化,只是简单的参数输入与输出过程。
当组合特征的定位尺寸发生变化时,只需修改根节点的定位尺寸即可。
如果参数驱动的是组合特征的定形尺寸,则首先遍历二叉树,若参数对应某一体素特征的形状尺寸则对其进行修改;若找不到,则该参数为对应体素特征之间的定位尺寸,此时应前序遍历各节点的左子树,找到该定位尺寸所对应的特征节点并修改该定位尺寸。
特征存在性的参数化驱动是指特征能够随着布尔型参数的变化而进行添加和删除的操作。
当加入特征时,首先通过遍历特征关系二叉树,找出其基准特征;然后以此节点为父节点插入所要添加的特征;最后通·284·内 燃 机 学 报 第19卷第3期过二叉树算法将所得森林结构转换为二叉树。
特征添加的过程如图2所示。
特征的删除较添加简单,其算法为:首先从零件形状特征链中删除该特征,然后从特征关系树中删除相应的节点。
若被删除节点为叶节点,可直接删除;若删除节点为中间节点,且其右子树为空,则删除该节点及相应的左子树;若其右子树不为空,则删除该节点及其左子树后,以右子节点代替之。
2.3 曲柄连杆机构特征库的建立 本系统除建立起体素特征外,还针对发动机曲柄连杆机构零件的特点,依据结构和功能的共性建立组合特征,以便更加便捷、清晰地控制特征拼和成零件模型。
曲柄连杆机构主要由曲轴、活塞和连杆等零件组成。
各零件每一部分可根据其形状选择相应的体素特征予以表达。
但是为了增强特征的可操纵性、提高设计效率,应将零件内各种结构形式中普遍存在、且其间架结构关系不随布置参数而变化的特征组合定义为复合特征。
本系统中,组成曲柄连杆机构的各类组合及体素特征构成如图3所示。
定义曲拐与一主轴颈的组合为复合特征,这样可使曲轴的特征树较为简洁,便于操纵,又不妨碍各缸发火次序等结构参数对曲轴形状的控制。
而对于平衡重等布置形式过于复杂的组成部分,直接利用体素特征对其进行表达可使操作更加灵活。
同理,可以将结构关系较为固定的活塞头部、活塞裙部及活塞销座组合定义为复合特征,而将变化较多的活塞环及活塞销孔单独定义为体素特征。
各种连杆结构形式的主要区别在于连杆大头的切口形式及其角度,所以将连杆大头切口单独定义为体素特征,而将连杆体定义为复合特征。
在此基础上,可以将各类特征的具体形状及结构形式进一步定义为具体形状特征并存入计算机。
至此便完整地建立了发动机曲柄连杆机构特征库。
当需建立新零件模型时,只需确定其结构参数与形状尺寸参数,然后根据特征的参数化原理由参数控制特征的存在性及特征的形位尺寸,即可由特征拼合出零件模型。
(a)零件模型中加入特征(b)森林转化为二叉树(c)新零件模型图2 特征的添加Fig.2 Appending of the features图3 曲柄连杆机构特征库Fig.3 Feature base of the crank-link·285·2001年5月 徐 斌等:发动机曲柄连杆机构CAD系统的研究图4 曲柄连杆机构装配图实例Fig .4 Example of assembly diagram on crank -link3 参数的确定与校核 根据具体零件建立零件模型必须确定两方面参数,即曲柄连杆机构各零件的结构参数及其尺寸参数。
结构参数决定了各零件的基本布置形式,需根据具体零件的结构形式对参数赋值。
由于发动机曲柄连杆机构形状尺寸参数的选取一般都是以经验公式的形式给出,所以在本系统中由程序选取各参数范围的中间值,然后加以校核。
发动机曲柄连杆机构的参数校核主要包括曲轴强度校核、连杆杆身强度校核及活塞的校核等,其中最为重要的就是曲轴疲劳强度校核。
此项工作由程序较容易完成,所以在此不再赘述。
4 系统的开发 本系统通过Visual C ++对Pro /Engineer 进行二次开发来完成。
由于Pro /Engineer 提供参数化特征建模方法及模型的全相关性,所以为本文所讨论的基于特征的参数化设计方法的实现提供了良好的支撑平台。