发动机曲轴及曲柄连杆机构受力有限元分析
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 设计研究的主要内容 3
第2章 曲柄连杆机构受力分析 5
2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择 5
2.2 曲柄连杆机构运动学 5
2.1.1 活塞位移 6
2.1.2 活塞的速度 7
2.1.3 活塞的加速度 7
2.2 曲柄连杆机构中的作用力 8
2.2.1 气缸内工质的作用力 8
2.2.2 机构的惯性力 8
2.3 本章小结 16
第3章 曲轴的设计 17
3.1 曲轴的结构型式和材料的选择 17
3.1.1 曲轴的工作条件和设计要求 17
3.1.2 曲轴的结构型式 17
3.1.3 曲轴的材料 18
3.2 曲轴的主要尺寸的确定和结构细节设计 18
3.2.1 曲柄销的直径和长度 18
3.2.2 主轴颈的直径和长度 18
3.2.3 曲柄 19
3.2.4 平衡重 19
3.2.5 油孔的位置和尺寸 19
3.2.6 曲轴两端的结构 20
3.2.7 曲轴的止推 20
3.3 曲轴的疲劳强度校核 21
3.3.1 作用于单元曲拐上的力和力矩 21
3.3.2 名义应力的计算 25
3.4 本章小结 27
第4章 曲轴的有限元分析 28
4.1 对Pro/E软件基本功能的介绍 28
4.2 曲轴的创建 28
4.2.1 曲轴的特点分析 28
4.2.2 曲轴的建模思路 28
4.2.3 曲轴的建模步骤 28
4.3 对ANSYS软件的介绍 30
4.4曲轴的有限元分析 30
4.4.1 曲轴受力条件与简化 30
4.4.2 曲轴的静力学分析 31
4.5本章小结 37
结论 38
参考文献 39
致谢 40
1.3 设计研究的主要内容
对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析进行深入研究，其主要的研究内容有：
（1）对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析，分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零部件进行强度、刚度等方面的计算和校核，以便达到设计要求；
（2）分析曲柄连杆机构中主要零部件曲轴，连杆等的工作条件和设计要求，进行合理选材，确定出主要的结构尺寸，并进行相应的尺寸检验校核，以符合零件实际加工的要求；
（3）应用Pro/E软件对曲柄连杆机构的零件分别建立实体模型；
（4）应用Pro/E软件将零件模型图转化为相应的工程图，并结合使用AutoCAD软件，系统地反应工程图上的各类信息，以便实现对机构的进一步精确设计和检验；
（5）应用ANSYS软件对模型进行有限元分析。
第2章 曲柄连杆机构受力分析
研究曲柄连杆机构的受力，关键在于分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计，以便达到发动机输出转矩及转速的要求。
2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择
内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多，按运动学观点可分为三类，即: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。
1、中心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机，以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。
2、偏心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e。这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力，使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。
3、主副连杆式曲柄连杆机构
其特点是内燃机的一列气缸用主连杆，其它各列气缸则用副连杆，这些连杆的下端不是直接接在曲柄销上，而是通过副连杆销装在主连杆的大头上，形成了“关节式”运动，所以这种机构有时也称为“关节曲柄连杆机构”。在关节曲柄连杆机构中，一个曲柄可以同时带动几套副连杆和活塞，这种结构可使内燃机长度缩短，结构紧凑，广泛的应用于大功率的坦克和机车用V形内燃机[4]。
经过比较，本设计的型式选择为中心曲柄连杆机构。
2.2 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，本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=14649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[4]。
