内燃机曲柄连杆机构的建模与仿真研究

基于Workbench的仿真内燃机曲柄连杆机构动力学分析（机械与动力工程学院南京 211816）摘要：本文以S195 内燃机为例，对单缸内燃机的曲柄连杆机构简化模型进行了有限元分析。

根据力学分析结果和强度要求设计内燃机曲柄连杆机构结构，并应用UG软件建立该机构三维数字化虚拟装配模型，结合有限元理论及其分析软件ANSYS Workbench，模拟分析了曲柄连杆机构装配体动力学分析，结果表明，数字化模型结合装配体有限元分析，可解决曲柄连杆机构结构强度评价问题，有助于缩短汽油机开发周期和减少成本。

关键词：曲柄连杆，有限元分析，Workbench，动力学仿真。

Dynamic analysis of the crank connecting rod mechanismbased on Workbench simulation(Nanjing Technology of University, mechanical and power engineering,Yin Zhenhua, Nanjing, 211816)AbstractBased on the S195 diesel engine as an example, the crank connecting rod mechanism of single cylinder diesel engine was analyzed in finite element analysis. According to the mechanical analysis results and strength requirements, the structure of the engine crank connecting rod mechanism is designed, and the 3D digital virtual assembly model of the mechanism is established. Combined with the finite element theory and the analysis software ANSYS Workbench. The results show that the numerical model combined with the finite element analysis can solve the problem of structural strength evaluation of the crank link mechanism, which helps to shorten the development cycle and reduce the cost.Key words: crank connecting rod, finite element analysis, Workbench, dynamic simulation.0．引言随着发动机强化指标的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂[1-2]。

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。

摘要: 三维模型虚拟设计是机械设计的必然趋势。

该文简述了三维设计软件UG NX5.0的强大功能，并且结合发动机曲柄连杆机构实现了模型的虚拟设计、虚拟装配及三维动态真。

关键词:虚拟设计；虚拟装配；三维动态仿真Engine Crank and Link Mechanism Motion Animation Based on UGAbstract: Three - dimentional model virtual design is the tendency of mechanic design. The paper simply state its powerful function of UG NX5.0 with three dimentional design soft, and realize model virtual design、virtual assembly and three - dimentional dynamic animation combined with engine crank and link mechanism.Key words: virtual design; virtual assembly; three - dimentional dynamic animation目录序言 (1)第1章基于UG的曲柄连杆机构的运动仿真的简介 (3)1.1 发动机曲柄连杆机构的虚拟设计 (3)1.2 虚拟装配 (4)1.3 运动仿真 (4)第2章曲柄连杆机构的拆装和零件的测绘 (6)2.1曲柄连杆机构的拆卸 (6)2.3 零件的测绘 (9)2.3.1 游标卡尺的读数原理和读数方法 (9)2.3.2 直径和孔深尺寸的测量 (10)2.4 测绘零件时的注意事项 (10)第 3章曲柄连杆机构的三维造型 (12)3.1曲柄的绘制过程 (14)3.2连杆的三维造型 (22)3.3 活塞的三维造型 (27)第4章曲柄连杆机构的虚拟装配 (33)4.1 装配综述 (33)4.2 曲柄连杆机构的装配实例 (34)第5章曲柄连杆机构的运动仿真 (38)5.1运动仿真综述 (38)5.2 运动仿真创建实例 (40)参考文献 (46)致谢 (47)曲柄连杆机构运动仿真设计（基于UG)序言虚拟技术是近年来随着计算机辅助设计技术发展起来的一种新型技术。

S195单缸柴油机的曲柄连杆机构的建模和仿真摘要：在分析S195单缸柴油机工作机构的基础上，运用SolidWorks设计软件完成了该机构的三维模型、虚拟装配。

通过Parasolid传输标准将SolidWorks 环境下的工作机构装配体模型文件导入ADAMS中，实现了内燃机工作机构的运动学仿真。

关键词：单缸内燃机ADAMS 虚拟装配建模与仿真引言建模和仿真是数字化设计与制造的核心技术，已广泛地应用于产品的开发的各个方面，如产品的设计、验证、决策等方面，是一种有效而低成本的研究方法[1]。

在众多的仿真分析和建模软件中，分析软件ADAMS和建模软件SolidWorks 运用较为普遍。

本文用SolidWorks三维造型软件建立S195柴油机模型，完成模型后导入ADAMS中进行仿真和分析。

1 机构模型建立建立柴油机虚拟样机模型之前，首先利用SolidWorks提供的拉伸、旋转、放样、扫描等操作命令建立各零件模型；然后按照柴油机各零部件间的装配和配合关系，采用自底向上的装配技术对各零件的三维实体模型进行虚拟装配，得到整机的三维实体虚拟装配模型，如图1所示。

2 ADAMS中导入三维实体模型首先在SolidWorks软件中将柴油机装配体文件另存为Parasolid格式的图形文件中，然后将此文件导入ADAMS环境中？3？。

柴油机模块模型建立后，将文件保存为.*x_t格式，将输出的文件放在非中文路径下，比如D盘text文件夹下，然后打开Adams/View，选择import a file，在路径里选择D盘text文件夹，点击ok。

接下来在弹出的对话框里在file type处选择Parasolid开头的一项，在file to read里双击，选择第一步输出的文件，在model name里击右键，依次选择Model ，create点击ok，这样装配体就成功导入ADAMS中了。

3 机构运动仿真3.1 导入装配体的编辑导入ADAMS中的三维装配体，需要经过编辑后才能进行运动仿真，在ADAMS中按照机构的实际工作位置设置重力加速度的方向，对组成机构的各个零部件的三维模型根据实际设计要求定义其材料，密度等属性。

基于PRO/E的连杆机构设计及远动仿真分析摘要连杆机构是机械中常见的一种机构，是往复式内燃机的主要工作机构。

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要远动零件。

虚拟装配与远动仿真是根据产品的形状特征.精度特性，利用计算计图形学和仿真技术，在计算机上模仿产品的实际装配过程.仿真模拟机器的远动过程。

通过对曲柄连杆机构进行有关运动学和理论分析与计算机仿真分析，利用PRO/E软件的装配功能，将曲柄连杆机构的各组成零件装配成活塞组件.连杆组件和曲柄组件，从而完成内燃机曲柄连杆机构的虚拟装配与运动仿真。

在内燃机的开发设计阶段应用这种方法可以大大缩短产品的开发周期，减少样机实验次数，快速的对市场做出反应，降低产品的成本，提高企业的竞争力。

关键词：曲柄连杆机构：虚拟装配：运动仿真；装配功能Based on Pro/E internal combustion engine connecting rod assembly and motion simulation of the virtualAbstractThe crank is a common machinery, reciprocating internal engine is the main working body. Crank the engine duty to achieve of the main moving parts of energy. Virtual and motion simulation based on tee shape of product precision features the use of computer graphics and simulation technology, the product on the computer to imitate the actual assembly process the movement of the machine Crank through the relevant kinematics and dynamics of the theoretical analysis and computer simulation analysis, the use of Pro/E, assembly features, the crank assembly of the constituent parts into a piston, connecting rod assemblies and crankshaft components, to complete the internet combustion engine connecting rod assembly and motion simulation of the virtual. The development of internal combustion engine design using this method can greatly shorten the product development cycle and reduce prototype test times, respond quickly to market, lower product costs and improve the competitiveness of enterprises.Keywords: crank Vrtual assembly; Motion simulation；assembly features目录1绪论 (5)1.1本课题研究的目的和意义 (6)1.2国内外的研究现状及发展趋势 (7)2设计的方案 (9)2.1研究的基本内容 (9)2.1.1连杆机构的结构设计 (9)1手压抽水机的结构特点 (9)2手压抽水机的设计 (9)3连杆机构的装配 (13)3.1手压抽水机的装配 (13)3.2伺服电动机定义 (22)3.3运动分析定义 (23)4本文总结 (24)5参考文献 (25)6致谢 (26)1绪论1.1本课题研究的目的和意义基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。

基于ProE的内燃机曲柄连杆机构虚拟装配与运动仿真基于Pro/E的内燃机曲柄连杆机构虚拟装配与运动仿真发表时间： 2010-3-6 作者: 汤兆平*孙剑萍来源: 万方数据关键字: 虚拟装配运动仿真内燃机Pro/E燃机作为常用动力，在机械行业中占有重要地位。

但其由大量零件组成，零件之间的装配关系也比较复杂，设计与方案确定需要经过反复的样机实验与修改，致使设计周期长，研制费用高。

现在通过应用虚拟装配与运动仿真技术，大大提高了其设计开发效率。

1 引言虚拟装配与运动仿真是根据产品的形状特征、精度特性，利用计算机图形学和仿真技术，在计算机上模仿产品的实际装配过程、仿真模拟机器的运动过程，以可视化手段研究和解决产品的可装配性及运动问题。

在内燃机的开发设计阶段应用这种方法可以大大缩短产品的开发周期，减少样机实验次数，迅速地对市场做出反应，降低产品的成本，提高企业的竞争力。

2 结构与配合零件结构与配合是虚拟装配的基础。

内燃机曲柄连杆机构主要包括气缸体、曲轴箱、活塞、活塞销、连杆、曲轴等零件。

活塞位于气缸中，它与气缸之间采用微量间隙配合(柴油机为(0.0013-0.0027)D。

汽油机为0.0005D，m气缸直径)，以保证活塞在气缸中的往复运动；3-4道活塞环开口相错地装于活塞环槽内(铸铁活塞的活塞环开口间隙为0.003D；铝质活塞的活塞环开口间隙为0.0025D)，环与槽为间隙配合(侧隙为(2.5-3.0)％b，b——活塞环的轴向厚度，背隙约(0.15-0.25)mm)，常态下活塞环直径略大于缸径，以保证装配后其外圆紧贴缸壁，工作过程中环在随活塞往复运动的同时，也能在环槽内作微量的转动；活塞销连接活塞与连杆小头，销与连杆小头间隙配合(间隙约(0.025-0.048)mm)，销与活塞销座孔大多采用全浮式连接，即冷态下为过渡配合，而热态下为微量间隙配合，使活塞销在发动机运转中，不仅可以在连杆小头衬套孔内，还可以在销座孔内缓慢转动；剖分式连杆的大头与连杆盖通过螺栓连接在曲柄销上。

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。