曲柄连杆机构结构设计说明.pdf

曲柄连杆机构结构设计 第 1 章 绪 论 1.1 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。 1.2 国内外的研究现状 多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，提供了在设计过程 中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。 它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验， 充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机 上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有 Pro/Mechanics ，Working model 3D，ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真 程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进 行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学 仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计 [2] 优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正 。目前国内大学和企业 已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现 内燃机曲柄连杆机构干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基 本的设计依据 [3-4] 。 目前国内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。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动，即位移、速度和 加速度的变化关系：动力学则是研究产生运动的力。发动机曲柄连杆机构的动力学分 析主要包括气体力、惯性力、轴承力和曲轴转矩等的分析，传统的内燃机工作机构动 力学、运动学分析方法主要有图解法和解析法 [5] 。 1、解析法 解析法是对构件逐个列出方程，通过各个构件之间的联立线性方程组来求解运动 副约束反力和平衡力矩，解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。 2、图解法 图解法形象比较直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小 及改变趋势均能通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算机 结果的判断和选择。解析法取点数值较少，绘制曲线精度不高。不经任何计算，对曲 柄连杆机构直接图解其速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂 [6] 。 3、复数向量法 复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表 达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后， 可以得到机构的运动性能。 该方法是机构运动分析的较好方法。 通过对机构运动学、动力学的分