摘 要

伴随着汽车行业的发展，人们对汽车发动机的性能指标都提出更高的要求。接下来我将详细介绍发动机曲柄连杆机构的设计及运动学分析过程，我首先在Solidworks2020完成零件建模和装配；然后运用Solidworks2020软件、Ansys有限元分析软件进行曲柄连杆机构运动学和动力学分析，最终完成曲柄连杆机构的设计。

关键词：曲柄连杆机构设计；建模装配；运动学分析；动力学分析

abstract

With the development of automobile industry, people put forward higher requirements for automobile performance index. Next, I will introduce the design and kinematics analysis process of engine crank and connecting rod mechanism in detail, I first complete the part modeling and assembly in Solidworks2020; then use Solidworks2020 software, Ansys finite element analysis software to carry out kinematics and dynamics analysis of crank and connecting rod mechanism,and finally complete the design of crank and connecting rod mechanism.

Key words: Design of crank connecting rod mechanism；Modeling and assembly；kinematic analysis；kinematic analysis

目 录

摘要 I

abstract II

第1章 绪论 8

1.1 选题的目的及意义 8

1.2 国内外研究现状 8

1.3 设计研究的主要内容 9

第2章 活塞组的设计 11

2.1 活塞的设计 11

2.1.1活塞的工作条件及设计要求 11

2.1.2 活塞的材料选择 11

2.1.3 活塞顶部设计 12

2.1.4 活塞头部设计 12

2.1.5 活塞裙部设计 14

2.2活塞销设计 14

2.2.1活塞销的材料选择 14

2.2.2活塞销的结构和尺寸 14

2.3活塞环设计 15

2.4 本章小结 15

第3章 连杆组的设计 16

3.1 连杆组的工作条件及设计要求 16

3.1.1连杆组的工作条件 16

3.1.2连杆组的设计要求 16

3.2 连杆组的材料选择 16

3.3 设计连杆结构参数 16

3.3.1确定连杆长度l 16

3.3.2设计连杆小头 17

3.3.3设计连杆杆身 17

3.3.4设计连杆大头 17

3.4 本章小结 18

第4章 曲轴组的设计 19

4.1 曲轴的工作环境和设计原则 19

4.1.1 曲轴的工作环境 19

4.1.2曲轴的设计原则 19

4.2 曲轴的结构型式 19

4.3 曲轴的材料 19

4.4 曲轴结构参数的确定和细节设计 19

4.4.1 曲柄销的直径和长度 19

4.4.2主轴颈的直径和长度 20

4.4.3曲柄设计 20

4.5曲轴结构设计 21

4.5.1油道布置 21

4.5.2曲轴两端的结构 21

4.5.3曲轴止推 21

4.5.4过渡圆角 21

4.6 曲轴疲劳强度校核 21

4.6.1主轴颈的计算 22

4.6.2曲柄计算 22

4.7本章小结 22

第5章 曲柄连杆机构运动学分析 24

5.1 曲柄连杆机构运动学分析 24

5.1.1活塞速度 24

5.1.2 活塞位移 25

5.1.3 活塞加速度 26

5.1.4连杆运动学分析 26

5.2 曲柄连杆机构动力学分析 27

5.2.1 气体作用力 28

5.2.2 往复惯性力 29

5.2.3作用在活塞上的总作用力 29

5.2.4活塞上总作用力分解与传递 30

5.2.5单缸转矩和合成转矩的求解 30

5.2.6曲柄连杆机构仿真分析 32

5.3活塞仿真分析和热分析 33

5.4曲轴仿真分析 34

5.5活塞销仿真分析 36

5.6连杆仿真分析 37

5.7本章小结 38

第6章 总结与展望 39

6.1总结 39

6.2展望 39

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 选题的目的及意义

曲柄连杆机构是发动机工作的重要机构，更是发动机的核心运动、传力件，对发动机的使用寿命有着非常重要的影响。随着汽车行业的迅速发展，人们对汽车的各项性能指标都提出了更多的要求。^[1]

气缸的活塞等运动部件在运动过程中会产生往复惯性力和旋转惯性力。^[2]曲柄连杆机构的设计一方面要充分考虑其可靠性和持久性；另一方面要轻量化，平缓振动。让驾驶员有比较好的驾驶体验。要提高发动机性能，曲柄连杆机构的设计、校核、运动仿真很有必要，完成曲柄连杆机构的校核，运用Solidworks2020多体运动学软件进行曲柄连杆机构运动学分析，这对于未来进一步提高发动机工作性能，优化驾驶者乘车体验意义重大。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外对曲柄连杆机构的研究日益深入。国内外无数研究人员通过各种方法与途径进行关于曲柄连杆机构方面的深入研究，考虑到曲柄连杆机构特殊而恶劣的工作环境，在轻量化、导热性等方面需要有更多的探究。蒲海峰研究员于2008年对D-100/8-C压缩机及曲柄连杆机构的工作原理进行了研究，得到了曲轴、连杆和活塞的分析结果。^[3] 在2010年，李双虎通过不同的方式对发动机曲柄连杆机构进行了分析，分别为发动机的内外平衡设计了平衡重量和平衡轴机构。^[4] 在2013年，东北大学的李铎采用多体动力学仿真方法，通过计算机精确分析曲轴系统的动态响应。^[5] 武汉理工大学刘先义2013年在不考虑摩擦阻力和负载阻力影响的情况下，利用有限元分析软件对连杆ANSYS进行了更准确的可靠性分析。结果表明，发动机曲柄连杆机构的动态仿真分析得到了良好的仿真结果，提高发动机设计水平，提高性能发动机意义是经济有效的科学手段。^[6] 在2018年，梁令强以发动机曲柄连杆机构为研究对象，以寿命为变量，测量零件之间的相关性，结合Copula函数理论，对发动机进行了可靠性分析。^[7] 在2018年，张某以清洗装置的振动筛为研究对象，模拟了不同工作参数下振动箱中颗粒物质的运动，然后采用DEM方法模拟不同振动筛表面结构和筛分材料形状对筛分效果的影响。^[8] 在2019年，蒋会军，谭跃进等人研究了SolidworksMotion在曲柄圆滑块机构运动学分析中的应用，得到了位移速度和加速度曲线，利用Solidworks中的插件，进行运动学仿真分析进行机构，得到相关运动规律。^[9]1973年，Antonescu P研究了给定滑块行程和曲柄长度的空间滑块曲柄机构的合成，他发现在指定行程的末端位置和曲柄半径的情况下，曲柄固定端在曲柄旋转平面上的轨迹可以通过图形或解析的方式确定。^[10]2015年，Sasan Rahmanian; Mohammad Reza Ghazavi研究了具有间隙的滑块曲柄机构的搜索、非线性动态行为。^[11]2016年，Sadeq Yaqubi,Morteza Dardel分析了具有单个和多个间隙关节的曲柄滑块机构的行为。^[12]2016年，Mohamed Amine Ben Abdallah,Imed Khemili,Nizar Aifaoui研究具有柔性部件和多关节间隙的滑块曲柄机构的动态行为，为此目的进行了数值调查。^[13]2017年，B. B. Kosenok,  V. B. Balyakin提出了一种新型内燃机曲柄杆机构， 该系统通过在最小燃烧室的最大气体压力下产生最大扭矩来提高发动机效率。^[14]2018年，V.A.Stenin提出了发动机连杆作为曲柄机构可变形部件的数学模型，采用visSim6.0软件对连杆进行动态仿真，当气体压力施加的力是最大值时，观察到弯曲现象。^[15]

1.3 设计研究的主要内容