畢業(yè)論文-內(nèi)燃機(jī)連桿計算機(jī)輔助設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計內(nèi)燃機(jī)連桿計算機(jī)輔助設(shè)計三三機(jī)械工程系學(xué)生姓名： 學(xué)號： 機(jī)械工程系機(jī)械電子工程系 部： 機(jī)械電子工程專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二零一五年六月誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 本人簽名： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目： 內(nèi)燃機(jī)連桿計算機(jī)輔助設(shè)計 系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué) 學(xué)生： 指導(dǎo)教師（含職稱）： （副教授） 1課題意義及目標(biāo)連桿是內(nèi)燃機(jī)的重要傳動件之一，其作用是把活塞和曲軸連接起來，使活塞的直線往復(fù)運(yùn)動變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運(yùn)動以輸出動力。通過本次畢業(yè)設(shè)計，要求學(xué)生在深入了解內(nèi)

2、燃機(jī)連桿零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功用和工作原理的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用所學(xué)過的基礎(chǔ)理論知識，完成連桿零件的計算機(jī)輔助設(shè)計，為學(xué)生在畢業(yè)后從事機(jī)械方面的工作打好基礎(chǔ)。2主要任務(wù)（1）建立連桿零件參數(shù)化模型；（2）零件疲勞計算模塊的建立；（3）繪制連桿零件圖；（4）編寫設(shè)計說明書。3主要參考資料1 李惠珍.內(nèi)燃機(jī)現(xiàn)代設(shè)計方法的進(jìn)展J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,1992,10(1): 2-5.2 符正偉等.內(nèi)燃機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)的研究J.內(nèi)燃機(jī)工程,1993(3).3 葉明.內(nèi)燃機(jī)連桿斷裂失效分析J.熱處理,2002,17(1):46- 48.4進(jìn)度安排設(shè)計各階段名稱起 止 日 期1查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，完成開題報告2014.1

3、2.10至2014.12.302立連桿零件的參數(shù)化模型2014.12.31至2015.03.313完成疲勞計算模塊2015.04.01至2015.05.104編寫設(shè)計說明書2015.05.11至2015.05.315提交及修改設(shè)計說明書，答辯2015.06.01至2015.06.25審核人： 年 月 日 內(nèi)燃機(jī)連桿計算機(jī)輔助設(shè)計摘 要：連桿是內(nèi)燃機(jī)的重要傳動件之一，長期以來連桿工作的可靠性問題一直是人們研究的熱點(diǎn)課題。用CAD技術(shù)對連桿進(jìn)行輔助設(shè)計會使連桿的設(shè)計周期大大縮短，數(shù)據(jù)也更加精確，有效地減少了運(yùn)算的繁雜過程。本文運(yùn)用PRO/E三維建模軟件建立連桿零件的參數(shù)化模型，運(yùn)用ANSYS軟件對

4、連桿進(jìn)行有限元分析以及利用AutoCAD繪制出連桿零件圖，整個設(shè)計過程都使用計算機(jī)一體完成，每一個環(huán)節(jié)都能有效的聯(lián)系在一起，大大地提高了連桿設(shè)計的工作效率。關(guān)鍵詞：連桿，有限元分析，參數(shù)化模型，Pro/EComputer Aided Design For Engine Connecting RodAbstract：Connecting rod is one of the most important parts of the internal combustion engine. The reliability of connecting rod has been a hot research

5、 topic for a long time. Using CAD technology to design the connecting rod, the design of the connecting rod can shorten the design period of the connecting rod greatly, and the data is more accurate, and it can reduce the complicated process of operation. Using 3D modeling software Pro / E parametri

6、c modeling of the connecting parts, using the ANSYS software of the connecting rod of finite element analysis and use AutoCAD to draw the connecting rod parts of the map, the entire design process are done on the computer integrated, each link can effectively link together, greatly improves the conn

7、ecting rod design work efficiency.Keywords: Connecting rod, Finite element analysis, Parametric model, Pro/E目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc421207552 1 前言 PAGEREF _Toc421207552 h 1 HYPERLINK l _Toc421207553 1.1 課題研究的目的及意義 PAGEREF _Toc421207553 h 1 HYPERLINK l _Toc421207554 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展趨勢 PAGEREF

8、_Toc421207554 h 2 HYPERLINK l _Toc421207555 2 連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計 PAGEREF _Toc421207555 h 3 HYPERLINK l _Toc421207556 2.1 連桿材料選擇 PAGEREF _Toc421207556 h 3 HYPERLINK l _Toc421207557 2.2 連桿工作情況 PAGEREF _Toc421207557 h 3 HYPERLINK l _Toc421207558 2.3 連桿結(jié)構(gòu)型式及選擇 PAGEREF _Toc421207558 h 5 HYPERLINK l _Toc421207559 2.4

9、 連桿主要尺寸設(shè)計 PAGEREF _Toc421207559 h 5 HYPERLINK l _Toc421207560 2.4.1 連桿小頭主要尺寸 PAGEREF _Toc421207560 h 6 HYPERLINK l _Toc421207561 2.4.2 連桿桿身主要尺寸 PAGEREF _Toc421207561 h 7 HYPERLINK l _Toc421207562 2.4.3 連桿大頭主要尺寸 PAGEREF _Toc421207562 h 8 HYPERLINK l _Toc421207563 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc421207563 h 10 H

10、YPERLINK l _Toc421207564 3 連桿參數(shù)化建模 PAGEREF _Toc421207564 h 11 HYPERLINK l _Toc421207565 3.1 Pro/Engineer軟件介紹 PAGEREF _Toc421207565 h 11 HYPERLINK l _Toc421207566 3.2 連桿零件三維建模 PAGEREF _Toc421207566 h 12 HYPERLINK l _Toc421207567 3.3 連桿零件參數(shù)化編輯 PAGEREF _Toc421207567 h 17 HYPERLINK l _Toc421207568 3.4 本

11、章小結(jié) PAGEREF _Toc421207568 h 20 HYPERLINK l _Toc421207569 4 連桿的有限元分析 PAGEREF _Toc421207569 h 20 HYPERLINK l _Toc421207570 4.1 ANSYS軟件概述 PAGEREF _Toc421207570 h 20 HYPERLINK l _Toc421207571 4.2 連桿的網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc421207571 h 21 HYPERLINK l _Toc421207572 4.3 施加約束及施加載荷 PAGEREF _Toc421207572 h 25 HYPERL

12、INK l _Toc421207573 4.4 求解與結(jié)果輸出 PAGEREF _Toc421207573 h 27 HYPERLINK l _Toc421207574 4.5 連桿強(qiáng)度校核 PAGEREF _Toc421207574 h 31 HYPERLINK l _Toc421207575 4.5.1 連桿小頭強(qiáng)度計算 PAGEREF _Toc421207575 h 31 HYPERLINK l _Toc421207576 4.5.2 連桿桿身強(qiáng)度計算 PAGEREF _Toc421207576 h 32 HYPERLINK l _Toc421207577 4.5.3 連桿大頭蓋強(qiáng)度計算

13、 PAGEREF _Toc421207577 h 33 HYPERLINK l _Toc421207578 4.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc421207578 h 34 HYPERLINK l _Toc421207579 5 連桿零件圖 PAGEREF _Toc421207579 h 35 HYPERLINK l _Toc421207580 5.1 AutoCAD2010軟件概述 PAGEREF _Toc421207580 h 35 HYPERLINK l _Toc421207581 5.2 零件圖導(dǎo)入 PAGEREF _Toc421207581 h 36 HYPERLINK l _

14、Toc421207582 5.3 零件圖修正 PAGEREF _Toc421207582 h 36 HYPERLINK l _Toc421207583 5.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc421207583 h 38 HYPERLINK l _Toc421207584 6 結(jié) 論 PAGEREF _Toc421207584 h 39 HYPERLINK l _Toc421207585 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc421207585 h 40 HYPERLINK l _Toc421207586 致 謝 PAGEREF _Toc421207586 h 41太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1 前言1

15、.1 課題研究的目的及意義連桿是內(nèi)燃機(jī)的主要傳動件之一，按類型來說擁有整體式連桿，也就是連桿沒有連桿蓋做成一個整體，也有做成分開式連桿，一般來說連桿做成分開式更加的方便后續(xù)的安裝和更換，分開式連桿與桿身切開的一半稱為連桿蓋，二者靠連桿螺栓鏈接為一體。連桿軸瓦安裝在連桿大頭孔座中，與曲軸上的連桿軸頸裝和在一起，是發(fā)動機(jī)中最重要的配合副之一。常用的減磨合金主要有白合金、銅鉛合金和鋁基合金。連桿在工作環(huán)境中承受著各種復(fù)雜的外載荷并且呈現(xiàn)了周期的變化，機(jī)械的負(fù)荷比較嚴(yán)重，工作條件也比較惡劣。因?yàn)榇嬖谶@些問題，所以連桿的可靠性一直都是人們在內(nèi)燃機(jī)研究和改進(jìn)過程中所關(guān)注的重點(diǎn)問題。在對連桿進(jìn)行分析它的應(yīng)力

16、和應(yīng)變是，應(yīng)該考慮這些外力和復(fù)雜的運(yùn)動的因素，只有在考慮這些問題所研究出來的結(jié)果才能更加的符合實(shí)際的結(jié)果，這樣才能對連桿的可靠性的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提供了準(zhǔn)確的論理依據(jù)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。連桿零件是內(nèi)燃機(jī)中的重要構(gòu)件以及主要的運(yùn)動件，因?yàn)檫B桿的可靠性以及壽命有一定程度上影響著內(nèi)燃機(jī)的好壞，所以連桿的結(jié)構(gòu)形狀和受載荷情況都很復(fù)雜。如果所設(shè)計的連桿結(jié)構(gòu)不合理，那就是出現(xiàn)在使用時局部的強(qiáng)度、剛度不足或者是應(yīng)力集中，這樣的問題會導(dǎo)致連桿桿身發(fā)生變形，使得連桿失效，程度輕的會影響曲柄連桿機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)作，機(jī)械效率下降；程度重的就是破壞活塞的密封性能，造成內(nèi)燃機(jī)無法正常工作，甚至報廢。不難看出，連桿對于內(nèi)燃機(jī)來說是

17、不可或缺并且起到關(guān)鍵性作用的零件。所以本課題的研究對于設(shè)計出優(yōu)秀耐用的連桿起到至關(guān)重要的作用。同時對內(nèi)燃機(jī)的安全性也起到關(guān)鍵作用。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展趨勢“十一五”期間，國內(nèi)企業(yè)普遍采取裂解連桿體和連桿蓋分界面技術(shù)，這樣可以大幅度地減少機(jī)械加工的工序，由此開發(fā)了高強(qiáng)度低韌性的高碳非調(diào)質(zhì)鋼和粉末冶金鍛件，以滿足工藝的需要。目前中國國內(nèi)在調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用方面與國外差距不大，但在鍛造技術(shù)方面與國外比還是有一些差距。國外對連桿毛坯的加熱大多采用電加熱或感應(yīng)加熱，加熱時間短，加熱溫度控制穩(wěn)定，采用輥鍛制坯，液壓模鍛成形，鍛件尺寸精度高，避免了鍛件表面的脫碳。國內(nèi)多數(shù)連桿生產(chǎn)廠家還是采用空氣錘制坯，蒸汽

18、錘成形，連桿鍛件普遍存在的問題是尺寸精度差、鍛件表面狀態(tài)不好、鍛件表面脫碳嚴(yán)重等。國內(nèi)發(fā)動機(jī)連桿制造企業(yè)在鍛造加熱和鍛后控制方面近年已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，具備了應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)連桿的條件。國內(nèi)燒結(jié)鍛造技術(shù)還很落后，專用的粉末冶金壓機(jī)及燒結(jié)爐的應(yīng)用還不普遍。金屬粉末的品種少，質(zhì)量差且不穩(wěn)定。另外，燒結(jié)保護(hù)氣體還需進(jìn)一步地研究改進(jìn)，這些都影響著國內(nèi)超高度粉末冶金零件的發(fā)展。近幾十年來，隨著各方面技術(shù)的不斷發(fā)展和研究設(shè)計人員的不懈努力，到目前國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)連桿的強(qiáng)度和剛度以及結(jié)構(gòu)設(shè)計研究已取得了較大的進(jìn)展，尤其是在連桿的應(yīng)力計算研究方面。當(dāng)然，由于連桿結(jié)構(gòu)固有的復(fù)雜性，連桿的強(qiáng)度和剛度設(shè)計還沒有得到很好

19、完善，所以還有許多問題需要繼續(xù)研究。2 連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 連桿材料選擇 HYPERLINK /s?wd=%E8%BF%9E%E6%9D%86&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 連桿是內(nèi)燃機(jī)的必不可少部件之一，其質(zhì)量對提高內(nèi)燃機(jī)的可靠性和動力性起到至關(guān)重要的作用，所以要求不但要有很高的抗拉、壓強(qiáng)度和 HYPERLINK /s?wd=%E7%96%B2%E5%8A%B3%E5%BC%BA%E5%BA%A6&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 疲勞強(qiáng)度，而且要有足夠的

20、HYPERLINK /s?wd=%E5%88%9A%E6%80%A7&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 剛性、韌性。 HYPERLINK /s?wd=%E8%BF%9E%E6%9D%86&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 連桿常用的選擇材料有以下幾種： HYPERLINK /s?wd=45%E5%8F%B7%E9%92%A2&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 45號鋼（ HYPERLINK /s?w

21、d=%E4%B8%AD%E7%A2%B3%E9%92%A2&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 中碳鋼）、 HYPERLINK /s?wd=40Cr&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 40Cr、42Cr（中碳 HYPERLINK /s?wd=%E5%90%88%E9%87%91%E9%92%A2&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 合金鋼）、GGG70（ HYPERLINK /s?wd=%E7%90%8

22、3%E5%A2%A8%E9%93%B8%E9%93%81&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 球墨鑄鐵）等，中碳鋼廣泛用于機(jī)械零件的制造方面因?yàn)樗哂袩峒庸ぜ扒邢餍阅芰己?，?qiáng)度和硬度都比低碳鋼高，淬火和回火后具有良好的綜合力學(xué)性能，中碳鋼主要用于制造較高強(qiáng)度的運(yùn)動零件，如泵的活塞，重型機(jī)械的軸、等，表面耐磨的零件，曲軸、連桿、滾筒、等；合金鋼應(yīng)用于強(qiáng)化程度高的中高速機(jī)車、航空發(fā)動機(jī)上，具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能，但是對缺口的敏感性很強(qiáng)，對熱處理、機(jī)械加工要求相當(dāng)嚴(yán)格；球墨鑄鐵的機(jī)械性能和使用性能比其他多種鑄鐵都要好許多，而且經(jīng)正火處理

23、后機(jī)械性能良好，球墨鑄鐵還具高度的耐磨性，吸振能力強(qiáng)，缺口敏感性低，疲勞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。 通過對比，本次設(shè)計連桿的材料選用45號鋼。2.2 連桿工作情況連桿在內(nèi)燃機(jī)中的工作環(huán)境：連桿是內(nèi)燃機(jī)的重要傳動件之一，其作用是把活塞和曲軸連接起來，使活塞的直線往復(fù)運(yùn)動變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運(yùn)動以輸出動力，所以在這種極端的環(huán)境之下連桿的運(yùn)動受到的作用力是一種交變載荷，因?yàn)檫@種載荷使得連桿產(chǎn)生了很大的交變應(yīng)力，所以需要連桿擁有很高的強(qiáng)度要求；而且連桿在擺動平面和垂直于擺動平面內(nèi)可能會產(chǎn)生彎曲，增加了連桿所受的工作應(yīng)力，還有連桿大頭和連桿小頭發(fā)現(xiàn)變形還會造成連桿軸承的工作不正常、軸頸偏磨損。因此連桿需要足夠的剛度要求；

24、在連桿的強(qiáng)度和剛度增加了并不能代表連桿就能夠依賴增大連桿的尺寸來增加連桿的可靠性，因?yàn)檫B桿的質(zhì)量也會隨之增大，慣性力也變大，這樣會對內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)度、剛度、軸承載荷、平衡以及震動等方面帶來了不良后果，同時也會限制了內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的提高。所以在強(qiáng)度和剛度提高的同時也需要結(jié)構(gòu)合理，在設(shè)計時就要求了連桿需要擁有合理的結(jié)構(gòu)要求。根據(jù)工作的環(huán)境要求，在連桿設(shè)計時考慮的因素更加多了，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中成為了參考的重要依據(jù)。連桿工作時承受的作用力有：(1) 氣缸的氣體壓力Pg和氣缸的活塞組進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性力 Pjn的合力Pe分解在連桿軸上的分量， 即為連桿所受到的力P1，如圖2-1所示。P1由于氣體壓力和往

25、復(fù)運(yùn)動質(zhì)量慣性力隨活塞位置的不同，連桿力的大小和方向也隨之而改變。(2) 連桿本身運(yùn)動質(zhì)量的慣性力。連桿各部分的質(zhì)量在運(yùn)動中產(chǎn)生的狀態(tài)不同， 慣性力也隨之不同。連桿本身的運(yùn)動質(zhì)量慣性力, 使連桿承受附加的力和力矩。(3) 連桿在擺動平面內(nèi)，由于連桿力矩會引起橫向彎曲載荷。還有就是在裝配時由于壓入連桿襯套，擰緊連桿螺栓，以及壓緊連桿軸瓦等所產(chǎn)生的靜載荷。(4) 還有一點(diǎn)就是連桿零件在加工時由于加工不準(zhǔn)確，承壓面對連桿軸線不相對稱等加工問題以前的附加彎曲載荷。圖2-12.3 連桿結(jié)構(gòu)型式及選擇連桿的主要組成為：連桿由連桿小頭、 連桿大頭、 連桿桿身組成。其中連桿小頭由連桿體的小頭部分和連桿襯套所組

26、成。連桿大頭則由連桿體的大頭部分、 連桿螺栓、連桿軸瓦所組成。按照連桿大頭的切口形式可以將連桿分為，平切口式連桿和斜切口式連桿。這兩種切口形式的選擇主要是取決于連桿大頭的尺寸與氣缸孔直徑之間的相對大小，在內(nèi)燃機(jī)的爆發(fā)力相對較低時，連桿所受的力相對就較小，連桿大頭的尺寸就會相對小一些，因此最好采用連桿大頭為平切口；如果內(nèi)燃機(jī)的爆發(fā)力相對較大，那么受到的力也很大，連桿大頭尺寸也相對較大，當(dāng)平切口的尺寸大于氣缸孔值徑是就需要采用斜切口的形式11。 根據(jù)零件的設(shè)計用途及應(yīng)用廣泛性，在本次畢業(yè)設(shè)計中采用了平切口式的連桿，連桿的樣式和組成結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-22.4 連桿主要尺寸設(shè)計選定了連桿所用的

27、材料，了解連桿的工作情況、連桿的在內(nèi)燃機(jī)中的工作環(huán)境、連桿的結(jié)構(gòu)型式等設(shè)計的要求之后，我們開始要確定連桿的主要基本的尺寸和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在連桿的基本尺寸中，連桿大頭孔和連桿小頭孔之間的距離稱為中心距L，L的大小關(guān)系著連桿的長度，連桿長度的偏差直接影響內(nèi)燃機(jī)的壓縮比和裝配關(guān)系。查詢內(nèi)燃機(jī)設(shè)計手冊2可得：連桿桿體長度L（即連桿大小頭孔中心距）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（R為曲柄半徑）有關(guān)。連桿桿體長度越長，即越小，則可以升高發(fā)動機(jī)的高度，加重運(yùn)動件的重量和整機(jī)的重量，對高速化不利，所以連桿桿體L越短則對結(jié)構(gòu)有利，而且一旦大則會使二級反復(fù)慣性力氣缸壓力增大，并且增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸套相碰的可能性。連桿的設(shè)計要有足

28、夠的疲勞強(qiáng)度與剛度，連桿大頭和連桿小頭要有良好的抗拉、抗壓能力，同時連桿桿身也要做到應(yīng)力分布盡量均勻、應(yīng)力集中小。所以本次畢業(yè)設(shè)計針對連桿小頭、連桿大頭、連桿桿身進(jìn)行尺寸設(shè)計。2.4.1 連桿小頭主要尺寸連桿小頭在運(yùn)動的過程中相對于活塞銷進(jìn)行往復(fù)擺動。為了使連桿小頭更加耐磨，在銷頭孔內(nèi)壓入耐磨青銅襯套。連桿小頭為薄壁環(huán)形的結(jié)構(gòu)，頂端兩側(cè)有油孔，這是為了使?jié)櫥徒?jīng)小孔潤滑連桿小頭軸承和活塞銷。連桿小頭軸承受到的比壓大，所以潤滑速度低，一般不可能造成理想在液體潤滑。因此本設(shè)計中連桿小頭采用飛濺潤滑，因?yàn)檩d荷的交變性引起活塞銷相對連桿上下移動，所以在連桿小頭合襯套上設(shè)有油孔或油槽。連桿小頭到桿身的過

29、渡部分是相對薄弱的部位，此處的應(yīng)力集中比較大。為了解決緩和應(yīng)力集中，可采用二段或三段圓弧過渡的設(shè)計。本次畢業(yè)設(shè)計連桿小頭的設(shè)計采用浮式活塞銷，如圖2-3所示。根據(jù)以上的相關(guān)設(shè)計的要求以及圖2-6中的參數(shù)，可確定小頭主要尺寸與中心距L的尺寸關(guān)系式如下：連桿小頭外徑： A=0.28L （2-1）連桿小頭內(nèi)徑： B=0.20L （2-2）連桿小頭厚度： K=0.19L （2-3）連桿桿身小頭處寬： H=0.18L （2-4）圖2-32.4.2 連桿桿身主要尺寸連桿桿身也承受著交變載荷，可能造成疲勞破壞和變形，連桿在高速擺動時所產(chǎn)生的橫向慣性力也會讓連桿桿身彎曲變形。所以連桿桿身必須有足夠的斷面積，才

30、能消除產(chǎn)生應(yīng)力的集中。連桿桿身的斷面采用“I”字形結(jié)構(gòu)類型，這樣就能在足夠高強(qiáng)度和剛度下獲得最小的桿身質(zhì)量。連桿桿身斷面從連桿小頭到連桿大頭逐漸增大，這是由桿身的受力情況所決定的，桿身兩頭分別與小頭、大頭作圓滑的過渡，這樣既可避免應(yīng)力集中，又能將力傳達(dá)均勻了12。根據(jù)以上的相關(guān)設(shè)計要求，本次畢業(yè)設(shè)計連桿桿身采用“I”字形結(jié)構(gòu)類型，如圖2-4所示。并參考圖2-6中參數(shù)，確定連桿桿身的主要尺寸與中心距L的尺寸關(guān)系式如下：連桿中間厚度： E=0.025L （2-5）連桿中間寬度： N=0.19L （2-6）圖2-42.4.3 連桿大頭主要尺寸連桿大頭所連接的是連桿和曲軸，這里要求有足夠高的強(qiáng)度和剛度

31、，不然將會影響薄壁軸瓦，甚至影響整機(jī)工作可靠性。同時為了維修方便，連桿必須能從氣缸中取出，所以需要連桿大頭在擺動平面內(nèi)的總寬必須小于氣缸的直徑。在設(shè)計連桿大頭時，應(yīng)在保證強(qiáng)度、剛度條件下，尺寸盡量小，重量盡量輕。連桿大頭的形式分為兩種，一種是整體式連桿大頭，另一種是分開式連桿大頭。由于內(nèi)燃機(jī)普遍采用分開式連桿，在維護(hù)和安裝以及更換等方面使用方便。根據(jù)以上相關(guān)設(shè)計要求，本次畢業(yè)設(shè)計連桿大頭的設(shè)計選用分開式連桿大頭而且是平切口的型式如圖2-5。并參考圖2-6中參數(shù)，確定連桿大頭的主要尺寸與中心距L的尺寸關(guān)系式如下：連桿大頭內(nèi)徑： D=0.38L （2-7）大頭螺栓孔間距： Z=0.45L （2-8

32、）連桿大頭寬度： F=0.55L （2-9）連桿大頭厚度： J=0.23L （2-10）圖2-5 圖2-62.5 本章小結(jié) 通過查詢柴油機(jī)設(shè)計手冊中的連桿組的設(shè)計等資料，充分的了解了連桿的組成、結(jié)構(gòu)、和工作原理。和連桿在內(nèi)燃機(jī)環(huán)境中的工作環(huán)境，然后對連桿的材料、結(jié)構(gòu)要求、主要基本尺寸關(guān)系等進(jìn)行了確定，根據(jù)已經(jīng)確定的條件，對連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析和對連桿的組件進(jìn)行三維建模做準(zhǔn)備。3 連桿參數(shù)化建模3.1 Pro/Engineer軟件介紹在本次設(shè)計中使用PRO/E的版本是野火5.0，隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，PRO/E在當(dāng)今的三維造型領(lǐng)域中已占有舉重輕重的地位，特別是在國內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計中占據(jù)著重要位置。P

33、RO/E軟件以參數(shù)化著稱，第一個提出參數(shù)化設(shè)計的概念，而且采用單一的數(shù)據(jù)庫以便解決特征的相關(guān)性問題。PRO/E軟件使產(chǎn)品快速走向市場，按傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不但設(shè)計周期長，而且精度難以保證。而當(dāng)今產(chǎn)品開發(fā)的一個主要方面就是開發(fā)新的產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)，特別是由各種自由曲線、曲面組成的流線型外形，傳統(tǒng)的設(shè)計已無法滿足要求。為了適應(yīng)市場需求，機(jī)械CAD/CAM系統(tǒng)PRO/E軟件，成功的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益7。PRO/E軟件的主操作窗口如圖3-1所示。圖3-1參數(shù)化設(shè)計是PRO/E重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的設(shè)計理念，而參數(shù)又是參數(shù)化設(shè)計的核心概念。在一個模型中，參數(shù)的形式是通過“尺寸”來體現(xiàn)的，參數(shù)化設(shè)計的

34、突出優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計人員可以通過變更模型的參數(shù)來修改設(shè)計意圖，有效的提高了設(shè)計效率。關(guān)系式是參數(shù)化設(shè)計中另一項(xiàng)主要內(nèi)容，它能夠體現(xiàn)參數(shù)間相互制約的“父子”關(guān)系。PRO/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，設(shè)計人員可以采用具有智能性的基于特征的功能來生成各類模型，如殼、圓角及倒角等，還可以隨意更改草圖，輕易的改變模型。這個功能特性可給工程設(shè)計人員提供在設(shè)計中從未有過的靈活和簡易。PRO/E建立在統(tǒng)一基層數(shù)據(jù)庫上，在設(shè)計過程當(dāng)中更改任何一處就可以反應(yīng)在整個設(shè)計的相關(guān)環(huán)節(jié)中。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計完整結(jié)合，使設(shè)計更加優(yōu)化，成品的質(zhì)量也更加高，產(chǎn)品市場更加廣闊。3.2 連桿零件三維建模根據(jù)前邊連桿設(shè)計章節(jié)中的相

35、關(guān)設(shè)計要求，確定的關(guān)系式可以得出連桿的主要尺寸為：連桿大小頭孔中心距： L=128mm連桿小頭外徑： A=35.3mm 連桿小頭內(nèi)徑： B=25mm 連桿大頭內(nèi)徑： D=48mm 大頭螺栓孔間距： Z=57.5mm 連桿中間厚度： E=7mm 連桿大頭寬度： F=70mm 連桿大頭厚度： J=26mm 連桿小頭厚度： K=24mm 連桿中間寬度： N=24mm連桿桿身小頭處寬： H=23mm 連桿各個零件圖建模基本步驟:（1）打開PRO/E，點(diǎn)擊新建命令，創(chuàng)建實(shí)體，輸入實(shí)體文件名字0510030，取消缺省尺寸選擇公制mm為單位，進(jìn)行實(shí)體建模。（2）選擇拉伸命令，選擇基準(zhǔn)平面進(jìn)行繪制草繪圖，如果

36、在建模過程數(shù)值輸入錯誤，可通過右擊模型及編輯定義進(jìn)行修改。（3）以中心距為基準(zhǔn)，畫出連桿的主軸體部分如圖3-2。圖3-2（4）繪制完連桿的主軸體之后，還以中心距為基準(zhǔn)畫出連桿的配套零件，連桿蓋如圖3-3。圖3-3（5）在繪制完連桿的主體之后，接著畫出連桿的配套零件，小頭襯套如圖3-4和連桿軸瓦3-5。圖3-4圖3-5（6）然后再將配套用的連桿螺栓畫出來（如圖3-6所示）：圖3-6（7）最后將所有主件和配套零件在PRO/E中進(jìn)行組合，得到一個完整的連桿的模型，如圖3-7（1）、3-7（2）圖3-7（1）圖3-7（2）3.3 連桿零件參數(shù)化編輯利用PRO/E里的參數(shù)化設(shè)計可以對已經(jīng)畫好的三維零件模

37、型進(jìn)行參數(shù)編輯，然后就可通過更改模型參數(shù)來達(dá)到自動建模的效果。打開已經(jīng)畫好的連桿零件模型，點(diǎn)擊工具里面的參數(shù)，打開參數(shù)添加對話框進(jìn)行連桿主體參數(shù)的添加。填入?yún)?shù)的名稱，選擇數(shù)字的類型為實(shí)數(shù)，輸入主體模型的初始數(shù)據(jù)，參數(shù)添加完成后點(diǎn)擊確定即可。由于不是一個模型而是幾個不同的模型組合而成的連桿，所以需要以一個中心參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)化編輯，本設(shè)計使用連桿的大小頭孔中心距為基準(zhǔn)，進(jìn)行參數(shù)化編輯。連桿主體參數(shù)編輯對話框（如圖3.8所示）：圖3-8圖中參數(shù)字母分別表示：連桿大小頭孔中心距：L、連桿小頭外徑：A、連桿小頭內(nèi)徑：B、 連桿大頭內(nèi)徑：D、大頭螺栓孔間距：Z、連桿中間厚度：E、連桿大頭寬度：F 參

38、數(shù)添加完成后接下來進(jìn)行尺寸關(guān)系的編輯，為使更好的編輯尺寸間的關(guān)系式，先點(diǎn)擊信息里的轉(zhuǎn)換尺寸，將連桿模型的各個尺寸轉(zhuǎn)化為序號的形式。然后點(diǎn)擊工具里的關(guān)系，打開關(guān)系編輯的對話框，首先編輯參數(shù)和連桿主體模型上的尺寸，使之對應(yīng)起來，接下來輸入尺寸的關(guān)系式，將第二章連桿設(shè)計中的尺寸關(guān)系輸入到對話框的編輯位置。在關(guān)系式的輸入過程中尤其要注意格式，例如A=0.28*L如果輸入為A=0.28L系統(tǒng)就會提示錯誤，關(guān)系式間的符號是不可省略的。而且由于連桿主體結(jié)構(gòu)復(fù)雜尺寸較多，在輸入尺寸關(guān)系時需要認(rèn)真校對，以免導(dǎo)致關(guān)系式對應(yīng)關(guān)系錯誤，從而不能自動建立出正確的三維模型。尺寸關(guān)系編輯（如圖3.9所示）完成后點(diǎn)擊確定即可

39、，此時可以看到參數(shù)對話框中的參數(shù)都已經(jīng)被鎖定，除了可輸入的指定參數(shù)外其他參數(shù)不能隨意更改，它們會根據(jù)關(guān)系式中的關(guān)系自動變化。圖3-9建立新的模型時打開工具中的參數(shù)對話框，輸入新的連桿大小孔中心距（如輸入135），點(diǎn)擊確定然后再點(diǎn)擊界面工具命令欄里的再生命令，模型就會自動建立新的模型。此時可以看到連桿主體模型發(fā)生變化（如圖3.10所示），打開參數(shù)對話框也可以發(fā)現(xiàn)里面的參數(shù)都自動變?yōu)榱诵碌膮?shù)（如圖3.11所示）。圖3-10圖3-113.4 本章小結(jié)通過學(xué)習(xí)PRO/E三維軟件相關(guān)知識與操作，并根據(jù)連桿的組件零件結(jié)構(gòu)設(shè)計得出的主要參數(shù)繪制連桿組件零件結(jié)構(gòu)的三維模型，然后再對連桿組件進(jìn)行尺寸的參數(shù)化編

40、輯，建立連桿組件的參數(shù)化模型，最后將確定好的組件進(jìn)行在PRO/E中進(jìn)行組合得到我們想要的連桿結(jié)構(gòu)。使之可以通過更改連桿組件的參數(shù)達(dá)到軟件自動建模的效果，提高了連桿設(shè)計的效率。4 連桿的有限元分析4.1 ANSYS軟件概述隨著現(xiàn)代計算機(jī)的不斷發(fā)展，許多的有限元分析軟件也得到了廣泛應(yīng)用。ANSYSY軟件是一款大型通用的有限元分析軟件，它可以和大多數(shù)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換。ANSYS可以用來求解流體、結(jié)構(gòu)、電力、碰撞以及電磁場等一系列問題14。ANSYS的主操作窗口和隱藏的信息輸出窗口如圖4-1和圖4-2所示。圖4-1圖4-2ANSYS有限單元法的基本思路是將問題的求解域都劃分為

41、一系列的單元，單元之間僅僅靠節(jié)點(diǎn)來連接。單元內(nèi)的點(diǎn)的待求量可以由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系的插值求得。由于單元形狀比較簡單，易于由能量關(guān)系或者平衡關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量間的方程式，然后就可將各個單元方程“組集”在一塊而形成總體的代數(shù)方程組，輸入邊界條件后即可對方程組進(jìn)行求解。當(dāng)然單元劃分越細(xì)，計算的結(jié)果就越精確。4.2 連桿的網(wǎng)格劃分首先將組合連桿模型做一些簡化，以便減小有限元分析計算的規(guī)模，提高效率。然后將簡化好的連桿三維模型保存為IGES格式，再導(dǎo)入到ANSYS軟件當(dāng)中，接下來定義連桿零件模型單元類型。GUI途徑為（如圖4-3所示）：MainMenuPreprocessorElementType

42、Add/Edit/DeleteStructural Masssolid185.圖4-3 定義剛性梁單元類型，GUI途徑為（如圖4-4所示）：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteconstraintM184圖4-4 設(shè)定184單元類型的K1值為Rigid Beam。 定義連桿模型的材料屬性彈性模量及泊松比，GUI途徑為（圖4-5所示）： Main MenuMaterial props Material models Structrual Linear Elastic Isotropic.圖4-5 定義連桿模型的材料的密度，GUI途徑為（圖4

43、-6所示）： Main MenuMaterial props Material models Structrual Density. 圖4-6 由于連桿模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可網(wǎng)格劃分方式為選擇自由劃分，GUI途徑為（如圖4-7所示）： Main Menu PreprocessorMeshingMesh ToolVolumesfreeMeshPick all.圖4-7完成連桿模型劃分網(wǎng)格后，得到連桿模型的網(wǎng)格劃分圖（如圖4-8所示）：圖4-84.3 施加約束及施加載荷 對連桿零件模型進(jìn)行施加約束，GUI途徑（如圖4-9所示）： Main MenuSolutionDefine LoadsApply

44、StructuralDisplacementOn Area. 直接點(diǎn)擊連桿模型連桿的中央位置截取約束的面，點(diǎn)擊OK。圖4-9將約束施加在連桿零件的軸中央，這樣可以使連桿在受力時可以更清晰的看出形狀變化的效果圖，施加約束（如圖4-10所示）：圖4-10對連桿的大頭上端半圓截面和小頭下端半圓截面施加載荷，GUI途徑（如圖4-11所示）為：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Area直接點(diǎn)擊連桿模型上需要施加載荷的面和輸入定義載荷，點(diǎn)擊OK。圖4-11在施加完約束之后就進(jìn)行施加載荷，在連桿運(yùn)動的時候主要受到的力有大頭上端半圓截

45、面和小頭下端半圓截面的拉力，以及大頭上端半圓截面和小頭下端半圓截面的壓力，在本次設(shè)計中為了不存在分析的重復(fù)，這里只研究了拉力存在的情況，就是在大頭上端半圓截面和小頭下端半圓截面上施加載荷，（如圖4-12所示）：圖4-124.4 求解與結(jié)果輸出在連桿模型相關(guān)載荷全部施加完成后，即可對連桿模型進(jìn)行求解分析。GUI（如圖4-13所示）途徑為：Main MenuSolutionCurrent Ls.圖4-13連桿模型求解應(yīng)力圖與形變量圖，GUI途徑（如圖4.-14所示）為：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultContour PlotNodal Solu/Elemen

46、t Solu.圖4-14形變前后對比圖：X軸方向形變：Y軸方向形變：Z軸方向形變：應(yīng)力圖：4.5 連桿強(qiáng)度校核4.5.1 連桿小頭強(qiáng)度計算由于連桿小頭壓配襯套和溫度過盈而產(chǎn)生的溫度過盈量為=dt()公式中: d-連桿小頭內(nèi)徑 d=25mm；t連桿小頭溫升,取t=110C-襯套錫青銅線膨脹系數(shù) =1.8(1/C)-小頭鋼材料的線膨脹系數(shù) =1(1/C)=25110(1.8-1)=0.02816毫米連桿小頭襯套與連桿小頭配合面上由總的過盈量所產(chǎn)生的單位壓力為PP= 公式中: -襯套壓配時的最大過盈量 =0.052mmD-小頭外徑 D=35mm；d-小頭內(nèi)徑 d=25mm-襯套內(nèi)徑 =23mm；-泊

47、桑系數(shù) 45號鋼取0.3E-連桿剛材料的抗拉彈性模數(shù)，E=1.6kg/cm-錫青銅抗拉彈性模數(shù)， =1.15 kg/cm=348kg/cm由單位壓力P所引起的連桿小頭內(nèi)外表面應(yīng)力為：連桿小頭外表面應(yīng)力=348=723 bar 連桿小頭內(nèi)表面應(yīng)力=348=1124 bar連桿小頭外表面應(yīng)力=723bar=72.3Mpa；連桿小頭內(nèi)表面應(yīng)力=112.4Mpa；由圖中數(shù)據(jù)可得，最大處的應(yīng)力為11.5Mpa72.3Mpa112.4Mpa，故連桿小頭的設(shè)計是安全的。 4.5.2 連桿桿身強(qiáng)度計算已知:H=28mm，B=20mm，h=16mm，b=5mm，=2.8cm2。連桿桿身斷面對其垂直于擺動平面軸線

48、的慣性矩和應(yīng)力為：經(jīng)過計算，Ix=3.05 2=1662bar。連桿桿身斷面對其位于擺動平面內(nèi)軸線的慣性矩和應(yīng)力為：經(jīng)過計算，Iy=0.8 1=1746bar公式中為系數(shù)，對于各種鋼材在垂直于擺動平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力 連桿桿身中間的截面在擺動平面內(nèi)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力 a1=974bar=97.4Mpa；a2=932bar=93.2Mpa；m1=772bar=77.2Mpa；m2=730bar=73.0Mpa；所算出數(shù)據(jù)均大于11.5Mpa，故連桿桿身的設(shè)計是安全的。4.5.3 連桿大頭蓋強(qiáng)度計算1、大頭蓋受力分析在進(jìn)氣沖程開始,當(dāng)活塞在上死點(diǎn)時承受往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量和連桿大頭剖分面以上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動

49、質(zhì)量的慣性力得：Pjp=-862公式中: -活塞組質(zhì)量；-小頭分配質(zhì)量； -大頭分配質(zhì)量；-大頭蓋質(zhì)量。2、應(yīng)力計算公式 公式中: C-兩螺栓孔間距離 C=57.5mmI和分別為連桿大頭蓋和軸瓦斷面的慣性矩F和分別為連桿大頭蓋和軸瓦斷面的橫斷截面 W-連桿大頭蓋計算斷面的抗彎斷面模數(shù)由=0.685cm=0.93cm=1.07cm=0.62cm=0.0021cm將上述數(shù)據(jù)代入應(yīng)力公式得:=171bar=17.1Mpa，由圖中數(shù)據(jù)可得，最大處的應(yīng)力為11.5Mpa17.5Mpa，故連桿大頭蓋的設(shè)計是安全的。4.6 本章小結(jié) 通過對ANSYS有限元熱分析軟件原理、操作步驟、后處理技術(shù)等的介紹分析，體

50、現(xiàn)了ANSYS 軟件在處理比較復(fù)雜的工程實(shí)際問題的簡便性，它可以大大地減少工作量和計算中的誤差,并節(jié)約了開支。但是要想達(dá)到更精準(zhǔn)的模擬結(jié)果，我們就得在前處理的過程中，確定施加約束的位置和載荷施加的方向和位置，并且把網(wǎng)格劃分得更加的精密。然后通過簡單的計算對連桿大頭、連桿桿身以及連桿小頭進(jìn)行強(qiáng)度校核，然后與圖中數(shù)據(jù)對比，達(dá)到驗(yàn)證圖中數(shù)據(jù)的安全性。5 連桿零件圖5.1 AutoCAD2010軟件概述AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是Autodesk（歐特克）公司首次于1982年開發(fā)的自動計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計文檔和基本三維設(shè)計?，F(xiàn)已經(jīng)

51、成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。它的多文檔設(shè)計環(huán)境，讓非計算機(jī)專業(yè)人員也能很快地學(xué)會使用。在不斷實(shí)踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機(jī)和工作站上運(yùn)行6，AutoCAD軟件界面如圖5-1所示。圖5-15.2 零件圖導(dǎo)入打開Pro-e中已經(jīng)建立好的組合的連桿模型，點(diǎn)擊新建，選擇繪圖、模板為空、紙張大小A0，如圖5-2所示。 圖5-2然后將文件另存為dwg格式，以便下一步導(dǎo)入AutoCAD中進(jìn)行零件圖的修改5.3 零件圖修正打開

52、AutoCAD，將前邊Pro-e中導(dǎo)出的零件圖導(dǎo)入到CAD中，然后在圖層屬性中設(shè)置圖層，新建細(xì)實(shí)線、中心線、標(biāo)注、虛線等圖層，并設(shè)定相應(yīng)的顏色、線寬和線型。找不到的線型可從線型庫里進(jìn)行添加，定義圖層界面如圖5-3所示。 圖5-3 針對組合而成的連桿零件對導(dǎo)入零件圖進(jìn)行修改，對于多余的線條進(jìn)行刪除，截面進(jìn)行填充剖面線，設(shè)定各線條的粗細(xì)形式，選擇圖層里的標(biāo)注圖層，新建標(biāo)注樣式，設(shè)定合適的文字高度、箭頭大小等。尺寸標(biāo)注時要注意標(biāo)注完全，標(biāo)注尺寸應(yīng)該根據(jù)加工工藝標(biāo)注。編輯填寫連桿的生產(chǎn)技術(shù)要求，技術(shù)要求有：1.經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,硬度223280HBS，同一連桿體上的硬度差不大于35HBS；2.連桿的缺陷不允許焊補(bǔ)來修整；3.危險截面不允許有縮孔，疏松等內(nèi)部缺陷；4.毛坯應(yīng)經(jīng)噴丸處理或噴砂處理；5.未注明鍛造圓角R23；并根據(jù)cad圖紙?zhí)顚懙臉?biāo)準(zhǔn)將表格填完整，得到完整的連桿設(shè)計的圖紙。如圖5-4所示。圖5-45.4 本章小結(jié)通過學(xué)習(xí)AutoCAD2010軟件的基本知識，掌握了AutoCAD2010界面組成和基本操作方法以及圖形文件管理、命令操作、坐標(biāo)系等操作知識。將PRO/E的組合連桿零件模型圖導(dǎo)入了CAD中進(jìn)行對連桿零件圖再次編輯，對不需要的線條進(jìn)行刪減，對重要的尺寸進(jìn)行了標(biāo)注，最后完成了連桿零件CAD圖紙進(jìn)行了完善。6 結(jié) 論完成了本次的畢業(yè)設(shè)