1、 本科毕业论文（20 届）125cc 摩托车风冷发动机曲柄连杆机构设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 125cc 摩托车风冷发动机的曲柄连杆机构设计 1设计的主要任务及目标（1）根据某款 125cc 摩托车的技术指标完成对相应发动机曲柄连杆机构的设计；（2）完成零部件的建模及运动仿真。2设计的基本要求和内容（1）完成对摩托车发动机曲柄连杆机构的设计并撰写设计说明书一份；（2）完成仿真模型一份；（3）完
2、成零件图及装配图一份。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汽车设计清华大学出版社4进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 开题准备 2013.12.15-2014.3.012 完成曲柄连杆机构的设计 2014.3.01-2014.4.153 完成软件建模仿真 2014.4.16-2014.5.304 完成说明书撰写 2014.6.01-2014.6.105 提交设计，答辩 2014.6.11-2014.6.20125cc 摩托车风冷发动机曲柄连杆机构设计摘要： 本文以铃木 GP125摩托车发动机的相关参数作为参考，对125cc 摩托车风冷发动机的曲柄连杆机构的
3、主要零部件进行了结构设计计算，并对曲柄连杆机构进行了有关运动学和动力学的理论校核分析与计算机仿真分析。本文分别对活塞组、连杆组以及曲轴进行详细的结构设计，并进行了结构强度和刚度的校核。再次，应用三维 CAD 软件：Pro/Engineer 建立了曲柄连杆机构各零部件零件图与几何模型，装配成功后进行运动仿真。通过设计建模， 校核以及运动仿真， 得出的结论基本符合设计思路与理论值。完成了设计方案上的要求。关键词：曲柄连杆机构，受力分析，仿真建模，运动分析Design of air engine crank connecting rod mechanism of motorcycleAbstract
4、：Based on the related parameters Suzuki GP 125 motorcycle engin as a reference, The main components of air-cooled engine 125cc motorcycle crank linkage structural design calculations carried out, and carried out on the crank linkage theory about kinematics and dynamics analysis and computer simulati
5、on analysis check.This paper analysis the structural design on piston, connecting rod and crankshaft group, and the structural strength and rigidity check. Application of 3D CAD software: Pro/Engineer established the spare parts diagram and geometric model of the crank and connecting rod mechanism a
6、gain, After the success of the assembly motion simulation and finite element simulation model.Through the design modeling，Check and movement simulation，Conclusion basic conform to the design thought and the theoretical value.Completed the design requirements.Through the design modeling, check and mo
7、tion simulation, conclusion basic conform to the design thought and the theoretical value. Completed the design requirements.Key word: Crank Mechanism，Stress Analysis，Simulation Modeling，Motion AnalysisI目 录1 绪论 .11.1 研究课题的目的和意义 .11.2 曲柄连杆结构国内外研究现状 .11.3 设计研究的主要内容 .42 发动机结构参数与热力学计算 .52.1 发动机结构形式 .52.
8、2 发动机主要结构参数计算 .52.3 热力学计算 .62.3.1 作出 P-V 图 .63 活塞组设计 .93.1 活塞设计 .93.1.1 活塞材料的选择 .93.1.2 活塞结构尺寸设计 .103.1.3 活塞与气缸的配合间隙 .133.1.4 活塞质量 的估算 .132m3.1.5 活塞三维建模 .143.2 活塞环设计 .143.2.1 材料选择 .143.2.2 结构尺寸设计 .153.2.3 活塞环与环槽的装配间隙 .163.3 活塞销设计 .163.3.1 材料选择 .163.3.2 结构尺寸设计 .163.3.3 活塞销的配合间隙 .173.3.4 活塞销三维建模 .173.
9、4 卡簧设计 .173.4.1 材料选择 .173.4.2 结构尺寸设计 .183.4.3 卡簧与其接触零件的配合 .18II3.5 活塞组校核 .183.5.1 环岸校核 .183.5.2 活塞销强度和刚度计算 .204 连杆设计 .224 连杆设计 .224.1 连杆材料的选择 .224.2 连杆结构尺寸设计 .224.2.1 连杆长度的确定 .224.2.2 连杆小头结构尺寸确定 .224.2.3 连杆杆身结构设计 .234.2.4 连杆大头结构设计 .244.2.5 连杆三维模型 .254.3 连杆滚针轴承的选用 .254.4 连杆大小头的装配公差 .254.5 连杆校核 .254.5
10、.1 连杆小头校核 .254.5.2 连杆杆身强度校核 .334.5.3 连杆大头校核 .355 曲轴设计 .385.1 曲轴材料的选择 .385.2 曲轴结构尺寸设计 .385.2.1 曲柄臂厚度 h 的确定 .385.2.2 曲柄销结构尺寸的确定 .395.2.3 主轴颈尺寸的确定 .395.2.4 主轴其他尺寸细节 .395.2.5 曲轴装配模型 .405.3 曲柄销的配合公差 .405.4 曲轴校核 .415.4.1 曲轴的弯曲强度校核 .415.4.2 曲轴的扭转强度校核 .43III6 运动学计算以及基于 PRO/E 的运动仿真分析 .466.1 活塞位移分析 .466.1.1 活
11、塞位移的理论分析 .466.1.2 活塞位移的仿真分析 .466.2 活塞速度分析 .476.2.1 活塞速度 V 的理论分析 .476.2.2 活塞速度 V 的仿真分析 .486.3 活塞加速度分析 .486.3.1 活塞加速度 a 的理论分析 .486.3.2 活塞加速度 a 的仿真分析 .49总 结 .50参考文献 .51致 谢 .5211 绪论1.1 研究课题的目的和意义曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统，是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。从发动机实用性出发，对其曲柄连杆机构进行设计，在满足特定工况的疲劳强度和刚度条件下，达到良好的生产效益和经济效益 1。曲柄连
12、杆机构是发动机中主要的受力部件，其工作可靠性就决定了发动机工作的可靠性。但现今发动机曲柄连杆机构仍存在一些不足之处，有些结构强度远大于实际工况下所承载的强度，而也有一些低于实际工况下的承载强度。前者造成了不必要的材料浪费，加大了生产成本，降低了经济效益；后者引起发动机寿命降低，有时会引发事故。因此在设计过程中保证曲柄连杆机构具有足够的疲劳强度和刚度且达到最大经济效益成为曲柄连杆机构设计的关键性问题 2。在本次设计中，125cc 摩托车风冷发发动机曲柄连杆机构为例，通过具体给定的参数来确定其曲柄连杆机构的总体结构，同时进行强度、刚度等方面的校核计算以及运动仿真，根据计算结果选取适当的材料，做到材
13、料既不浪费又能满足实际使用性能的需求，获得良好的生产经济效益。1.2 曲柄连杆结构国内外研究现状曲柄连杆机构是发动机中直接将燃油的化学能转化为机械能的运动机构，它将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并通过曲轴输出发动机的功率，是发动机最主要的运动机构 3。曲柄连杆机构包括连杆组、活塞组及曲轴组三部分。（1）连杆组的研究现状连杆的计算分析在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出后，迅速在连杆分析上得到广泛应用。连杆的有限元分析模型从最早的曲梁模型，到 20 世纪七八十年代的平面连续模型，再到 90 年代至今的三维实体模型。近年来，国内外许多学者对内燃机连杆的有限元分析进行了大量的研究，归纳起
14、来主要是以下几个方面：有限强度应力分析、动响应分析、可靠性分析和优化分析。连杆应力有限元静态分析 。如果连杆强度不够会出现断裂，刚度不足就会使52大头孔变形失圆，使大头轴承润滑条件受到破坏，导致轴承发热而烧损。常规的计算方法是对连杆小头、杆身和大头分别按均匀平面曲梁和直梁计算，由于没有考虑截面的变化以及载荷和计算公式的简化，计算精度较差。20 世纪 80 年代末到 90 年代初采用常单元插值、线性单元插值、和边界元等方法对连杆进行平面应力应变分析。王明武等在摄动随机有限元法分析连杆应力方面进行了深入的研究。岳东鹏等对杆在静态计算中的边界条件和载荷进行了更加符合实际的处理。连杆的动响应分析 4。
15、动响应分析是利用 MSC.Adams 软件，对连杆进行仿真运算，到连杆的动响应特性，它推动了连杆由传统静态设计向动态设计的发展。连杆的可靠性分析。连杆的可靠性设计是根据已知载荷和材料强度，运用概率统计理论，确定连杆的可靠度，把连杆失效的发生控制在可接受的水平。连杆的可靠度一般要求达到 0.9995 以上。掌握连杆在实际工况下的可靠性必须具有 3 个条件：根据疲劳试验得到的连杆疲劳强度概率分布规律；连杆实际工况下工作载荷的概率分布规律；工作载荷与疲劳强度相联系的统计分析方法。连杆可靠性分析的影响因素众多，并且许多现象和机理还缺乏详细的研究。连杆的优化设计 4。如果连杆设计不合理，使用中会出现应力
16、集中现象或者局部强度或刚度不足，导致连杆失效。同时,为满足在保证足够的强度、刚度和稳定性条件下，尽可能达到质量轻、体积小、形状合理的设计要求，有必要对杆进行优化设计。连杆的优化设计已由广泛的二维结构优化设计向三维优化设计过渡，由局部结构的优化设计向整体结构的优化设计过渡。对连杆进行优化设计，关键是要选取适合的有限元方法和效率高的优化算法以及选取适当数目的优化设计变量。（2）活塞组的研究现状目前内燃机活塞组的传热研究分为稳态传热和瞬态传热两种方法。无论采用哪种方法，活塞组件间边界条件的确定都是其研究的关键。早期的研究中，大多采用单件模型的有限元分析，活塞组传热的研究多以稳态传热方法为主。这些方法
17、仅仅通过一些假设条件来解释问题，其结果不具有太大的实用价值。单件模型向耦合模型发展。单件研究方法只能以假定的燃烧室壁面平均温度为边界条件，给热平衡计算带来误差。近年来，耦合模型开始出现在国内外内燃机的课题研究中，其中对活塞组部分的研究尤为突出，国内也对耦合模型进行了尝试。物理场耦合方法是部分专家在对内燃机部件内部工作环境作深入研究时提出的3一种新方法。目前，国外大都采用 CFD 和 FEA 耦合的方法进行活塞组等内燃机部件的传热研究。李兵等分析了活塞在温度和机械载荷作用下的应力和变形。稳态传热研究转向瞬态传热研究。活塞组的热传导分析过程中，稳态传热的方法因计算简便得到了广泛应用。在计算此类边界
18、条件时，通常采用第 3 类边界条件进行计算。与稳态方法相比，瞬态热传导分析具有更高的可信度，也与实际情况更为贴近。瞬态热传导问题在国外一直是内燃机研究的中心课题。（3）曲轴组的研究现状由于曲轴几何形状、边界条件和载荷极其复杂，在 60 年代以前很长一段时间内，人们主要用实验手段来研究曲轴的强度。主要用实验手段来研究曲轴的强度。而对曲轴的计算常用方法有两种：简支梁法和连续梁法 18，因此，计算精度很低，基本上满足不了设计需要。随着计算机和计算力学的飞速发展，最近 30 多年来曲轴的计算方法有了极大的改善，计算精度有了较大的提高，可以相当精确地确定曲轴任一部位的应力，因此对曲轴整体的强度也可以作比
19、较精确的评估。应力集中系数的计算。在曲轴中，轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近存在严重的应力集中现象，以往一般通过试验方法研究确定应力集中系数。但没有考虑过渡圆角处三维形状的影响，因此不能用于精确计算。有限元和边界元方法的应用，为准确地计算应力集中系数提供了可能。由于曲轴几何形状复杂，三维有限元分析比较费时，因此 Guagliano 等人进行了试验测试和数值分析。结果表明，具有相同载荷和边界条件的二维和三维分析所得的应力集中系数数值相近。为了在较短时间内方便精确地预测应力集中系数，Shiomi 等人应用人工神经网络技术研制了一个预测应力集中系数的系统。该系统建立在由曲轴几何形状和有限元计算得到的应力集中系数组成的数据库的基础上，提出了一个适应传递函数运算法则作为神经网络的学习方法，可以利用有限的数据计算不同曲轴的应力集中系数。三维有限元分析采用的计算模型一般有三种 。(1) 曲拐模型。它主要考虑弯5曲载荷作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。(2)单个曲拐模型。用于分析曲轴上受载最严重的曲拐，优点在于计算规模小。但其很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件，剖分面距离过渡圆角很近也会影响计算精度。(3)整体曲轴模型。这是进行曲轴有限元分析最合理的模型，计算精度高，但是计算量大。边界条件的处理。在早期处理中，作用在主轴颈上的支承反力由简支梁法确定，
