曲柄连杆机构结构设计.doc
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曲柄连杆机构
第1章 绪论1.1 选题的目的和意义曲柄连杆机构是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,曲柄连杆机构是机中主要的受力部件其工作可靠性就决定了机工作的可靠性。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,要满足校核计算,要对曲柄连杆机构进行动力学分析。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,对进一步研究机的平衡与振动、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
目前国内外对机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。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。
1 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图解法形象比较直观,机构组成部分的位移、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。
3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。
通过对机构运动学和动力学分析,我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等,从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因,大部分复杂的机构运动尽管能够给出解析式,却难以计算出供工程使用的计算结果,不得不用粗糙的图解法求得数据。随着计算机的发展,可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程,从而形成机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。1.3 设计研究的内容
对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析深入研究,其主要的研究内容有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件进行强度、刚度等方面的计算和,以便分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞,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应用Pro/E软件对曲柄连杆机构的零件分别建立实体模型,并将其分别组装成活塞组件,连杆组件,然后定义相应的连接关系,最后装配成完整的机构,并进行运动仿真分析,检测其运动干涉,获取分析结果应用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。
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,以便达到机输出转矩及转速的要求。2.1 曲柄连杆机构的类型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。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特点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
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