文獻綜述：H478發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計與三維建模

文獻綜述題目H478發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計與三維建模二級學(xué)院專業(yè)班級學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師職稱時間文獻綜述H478發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)的設(shè)計及三維建模摘要:曲柄連桿機構(gòu)是發(fā)動機傳遞運動和動力的機構(gòu)，通過它將活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動，從而輸出動力。隨著發(fā)動機的強化指標(biāo)不斷提高，機構(gòu)的工作條件也更加復(fù)雜，設(shè)計也更有考究。主要通過介紹汽車發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的組成、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、其運動學(xué)和動力學(xué)的分析方法、新型材料在曲柄連桿上的運用等內(nèi)容，分析和總結(jié)曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:曲柄連桿機構(gòu)、三維建模、新型材料、發(fā)展方向Abstract:Thecrankconnectingrodmechanismisamechanismfortransmittingthemotionandthepoweroftheengine,andthereciprocatinglinearmotionofthepistonisconvertedintotherotarymotionofthecrankshafttooutputpower.Astheengine'sstrengtheningindicatorscontinuetoimprove,theworkingconditionsofthemechanismarealsomorecomplex,moresophisticatedtodesign.Mainlythroughtheintroductionofcrankconnectingrodmechanismofautomobileenginecomponents,researchstatusathomeandabroad,thekinematicsanddynamicsanalysismethod,newmaterialsintheapplicationofcrankconnectingrodetc.,analyzedandsummarizedthedevelopmentdirectionforthedesignofcrankconnectingrodmechanism.Keywords:Crankconnectingrodmechanism,3Dmodeling,newmaterials,developmentdirection0.引言隨著科技的發(fā)展，對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性要求越來越高。而曲柄連桿機構(gòu)作為發(fā)動機中的能源轉(zhuǎn)化機構(gòu)，只有不斷對其進行優(yōu)化設(shè)計才能滿足對其性能不斷提高的需求。1.發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的組成發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)即曲軸組、連桿組、活塞組[1]。1.1曲軸組主要由曲軸和飛輪組成，其作用是把活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，為汽車的行駛和其他需要動力的機構(gòu)輸出扭矩。同時還儲存能量，用以克服非做功行程的阻力，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)[2]。1.2連桿組連桿組由連桿體、連桿大頭蓋、連桿小頭襯套、連桿大頭軸瓦和連桿螺栓（或螺釘）等組成。連接活塞和曲軸，并將活塞所受作用力傳給曲軸，將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動[2]。1.3活塞組活塞組由活塞、活塞環(huán)(氣環(huán)、刮環(huán)）、活塞銷等零件組成。其中活塞又分為活塞頂布、活塞頭部和活塞裙部?；钊c汽缸蓋、氣缸壁共同形成燃燒室。其作用是承受汽缸中的燃燒壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸[2]。2.發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1.1國內(nèi)外研究方法在發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計開發(fā)過程中應(yīng)用比較廣泛的現(xiàn)代設(shè)計理論主要有：計算機輔助設(shè)計，多缸體動力學(xué)分析，有限元分析，計算機輔助工程熱力學(xué)以及綜合利用這些理論的優(yōu)化設(shè)計[3-5]。（1）計算機輔助設(shè)計（CAD—ComputerAidedDesign）20紀(jì)50年代在美國誕生第一臺計算機繪圖系統(tǒng)，開始出現(xiàn)具有簡單繪圖輸出功能的被動式的計算機輔助設(shè)計技術(shù)。60年代初期出現(xiàn)了CAD計算機輔助繪圖技術(shù)，中期推出商品化的計算機繪3圖設(shè)備，70年代時完整的CAD系統(tǒng)開始形成，后期出現(xiàn)了能產(chǎn)生逼真圖形的光柵掃描顯示器，推出了手動游標(biāo)，圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設(shè)備，促進了CAD技術(shù)的發(fā)展。目前國外在這方面的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，知名的三維CAD軟件主要有CATIA、UG、ADAMS和Pro/E，最近更流行的是基于變量的三維設(shè)計軟件（I-DES）?，F(xiàn)在CAD己在電子電氣、科學(xué)研究、機械設(shè)計、軟件開發(fā)、機器人、服裝業(yè)、出版業(yè)、工廠自動化、土木筑、地質(zhì)、計算機藝術(shù)等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。（2）多體動力學(xué)分析(MBS—Multi-BodiesDynamicsSimulation)多體動力學(xué)模擬是十年發(fā)展起來的機械計算機模擬技術(shù)。多體系統(tǒng)動力學(xué)包括多剛體系統(tǒng)動力學(xué)與多柔體系統(tǒng)動力學(xué)，對系統(tǒng)進行多剛體動力學(xué)分析需要大量的計算，多柔體系統(tǒng)的計算則更加復(fù)雜。在計算機技術(shù)高度發(fā)達之前，該理論只應(yīng)用比較簡單的剛體系統(tǒng)，但是隨著計算機的發(fā)展和CAD技術(shù)的成熟,美國MDI公司已經(jīng)開發(fā)出了比較完善的多剛體動力學(xué)分析軟件ADAMS,其不但適用于多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)分析,而且可以進行多柔體系統(tǒng)的動力學(xué)分析[4]。其它的多剛體動力學(xué)分析軟件還有PTC公司的Pro/Machanical、Workingmodel3D以及I-DEAS軟件的Simulation模塊等。目前國內(nèi)還沒有這方面的軟件，只有少數(shù)大學(xué)進行了機構(gòu)運動、動力仿真分析方面的研究和局部應(yīng)用，但都很少應(yīng)用于生產(chǎn)，其相關(guān)資料也不多。（3）有限元分析(FEA—FiniteElementAnalysis)有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進行模擬，還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)[5]。有限元方法與其它求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。目前，國外普遍采用CFD(ComputationalFluidDynamics)的方法進行發(fā)動機部件的傳熱研究而國內(nèi)對于這方面的研究還很少見諸報道[6]。（4）優(yōu)化設(shè)計理論結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論是上世紀(jì)50年代出現(xiàn)的一種新的設(shè)計方法，它是以最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，借助電子計算機選擇最優(yōu)化設(shè)計方案的一種優(yōu)化技術(shù)。目前優(yōu)化方法己成為數(shù)學(xué)的一個重要分支，將優(yōu)化理論應(yīng)用于設(shè)計，不僅可以大大縮短設(shè)計周期、顯著提高設(shè)計質(zhì)量，而且還可以解決傳統(tǒng)設(shè)計方法無法解決的復(fù)雜設(shè)計問題。現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計理論已相當(dāng)成熟，有多種優(yōu)化算法可供研究著參考，如人工蟻群算法、遺傳算法等。在發(fā)動機中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的目的是在不降低發(fā)動機性能和壽命的情況下，如何減小動態(tài)力、降低重量和降低成本[7]。發(fā)動機設(shè)計過程涉及的約束條件多，設(shè)計目的也多，是典型的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計問題。目前國外的科研機構(gòu)已經(jīng)可以利用各種工具對發(fā)動機整機進行優(yōu)化。(5)GT-Power等模擬仿真工具GT-Power是一款由GammaTechnologies公司開發(fā)的具有發(fā)動機工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬仿真工具。GT-Power是GT-Suite系列軟件中的一部分，涵蓋了發(fā)動機本體、驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機構(gòu)、配氣機構(gòu)六個方面。該軟件采用有限體積法進行流體的計算，計算步長自動可調(diào)，有強大的輔助建模前處理工具，自帶有豐富的燃燒模型，具有豐富的控制功能，能與SIMULINK進行耦合求解，能與三維的CFD軟件進行耦合計算，自帶有優(yōu)化設(shè)計功能，能進行直接優(yōu)化、DOE設(shè)計/優(yōu)化，能進行進、排氣系統(tǒng)噪音分析，能對進、排氣系統(tǒng)的消音元件進行優(yōu)化設(shè)計[8]。目前被世界上大多數(shù)發(fā)動機和汽車制造廠家及供應(yīng)商使用。2.1.2曲柄連桿機構(gòu)零部件發(fā)展現(xiàn)狀(1)曲軸的發(fā)展現(xiàn)狀我國球鐵曲軸的生產(chǎn)繼QT600-2、QT700-2之后,現(xiàn)已能穩(wěn)定地生產(chǎn)QT800-2、QT900-2等幾種牌號,目前已能大批量生產(chǎn)QT800-6球鐵曲軸。但從整體水平來看,存在生產(chǎn)效率低,工藝裝備落后,毛坯機械性能不穩(wěn)定、精度低、廢品率高等問題。熔煉方面，高溫低硫純凈鐵水的獲得是生產(chǎn)高質(zhì)量球鐵的關(guān)鍵所在。經(jīng)大量分析研究表明,國外球鐵中硫、磷、鎂及稀土元素含量明顯低于國產(chǎn)件,且金相組織中的石墨圓整均勻。造型方面，氣流沖擊造型工藝明顯優(yōu)于粘土砂造型工藝,可獲得高精度的曲軸鑄件。目前國內(nèi)一些廠家的造型設(shè)備主要從瑞士、德國、意大利、西班牙等國進口。在國外,曲軸造型多采用殼形工藝,其中酚醛樹脂砂熱固化殼形工藝是比較成熟的一種[9]。(2)連桿的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)階段國內(nèi)外汽車發(fā)動機連桿材料主要使用的原料有三大類，分別為:調(diào)質(zhì)鋼、非調(diào)質(zhì)鋼及金屬基復(fù)合型材料。調(diào)質(zhì)鋼是現(xiàn)階段最為傳統(tǒng)的發(fā)動機連桿材料,也是現(xiàn)階段國內(nèi)生產(chǎn)汽車發(fā)動機連桿主要采用的材料之一。非調(diào)質(zhì)鋼材料是在中碳鋼的內(nèi)部加入一定量的鈦、釩等相關(guān)的微量合金元素。我國與20世紀(jì)80年代開始了非調(diào)質(zhì)性鋼材的研究工作并取得一些關(guān)鍵性的進展,但是其整體的技術(shù)水平與世界汽車生產(chǎn)大國相比還有著較大的差距?，F(xiàn)階段汽車發(fā)動機連桿材料主要的發(fā)展趨勢為采用輕質(zhì)的金屬基復(fù)合型材料?，F(xiàn)階段,國內(nèi)外都已經(jīng)開展了金屬基復(fù)合型材料在汽車連桿生產(chǎn)過程中的應(yīng)用工作[10]。連桿是內(nèi)燃機運行過程中的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在開發(fā)過程中應(yīng)考慮疲勞現(xiàn)象，以保證連桿的壽命[11]。文獻調(diào)查表明，循環(huán)載荷的靜態(tài)拉伸和壓縮載荷，通常用于連接桿的設(shè)計和優(yōu)化。疲勞強度是連桿優(yōu)化設(shè)計中最重要的因素[12]。P．R．Wani，A.N.D.DaniandP.V.Reddy等人用階梯法對連桿進行疲勞試驗，實驗證明通過有限元分析，提高材料的型材比和更好的襯套夾緊力，有助于提高耐久性[13]。(3)活塞的發(fā)展現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外用做活塞的材料，除鋁合金外，還有鑄鐵(灰鐵和球鐵)、鋼及陶瓷材料(陶瓷增強的復(fù)合材料)等。這些材料中，鋁合金應(yīng)用的最多，鑄鐵次之，其它則較少[14]。從短期發(fā)展來看，鋼和鋁合金仍將在內(nèi)燃機活塞材料中占主導(dǎo)地位，但從長期發(fā)展戰(zhàn)略來看，傳統(tǒng)的活塞材料難以滿足未來內(nèi)燃機活塞的發(fā)展需要，新型活塞材料如鋁基和鎂基復(fù)合材料、陶瓷材料、碳材料、耐熱鎂合金材料等以自身獨有的優(yōu)點將在不同的內(nèi)燃機工作環(huán)境中發(fā)揮相應(yīng)的作用[15]。汽車發(fā)動機的未來發(fā)展方向是高動力輸出和低燃油耗，因此活塞在保持其高可靠性的同時要求其更輕、摩擦損失更低。對于汽油機活塞而言，采用超短裙的鍛造鋁活塞是未來的發(fā)展方向和目標(biāo)[16]。(4)曲柄連桿機構(gòu)的發(fā)展趨勢隨著時代的發(fā)展，美國、德國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家都向著開發(fā)綠色環(huán)保和高性能發(fā)動機兩大發(fā)展方向開展技術(shù)創(chuàng)新。曲柄連桿機構(gòu)的技術(shù)創(chuàng)新大多是材料方面的改進，比如碳材質(zhì)；還有從數(shù)量方面的改進，比如雙曲柄連桿機構(gòu)以及多連桿機構(gòu)。最新研究和聲源識別表明，高平衡性的曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計已成為各國低噪聲發(fā)動機研究的一個重要課題[17]，而且運動精度可靠性是曲柄連桿機構(gòu)可靠性研究的一個重要方面[18]。 目前，奧迪正在研發(fā)一種多重鉸鏈曲柄傳動機構(gòu)，在連桿小頭采用了搖臂結(jié)構(gòu)以減小不必要的慣性力，提升四缸發(fā)動機的平順性。全新曲柄連桿傳動機構(gòu)的構(gòu)造并不復(fù)雜，曲軸不再處于活塞和連桿的正下方，而是借助曲柄位置的搖臂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)曲軸的大幅偏置。每個氣缸都擁有一根搖臂，搖臂中心為傳統(tǒng)的曲軸曲柄，一端連接活塞連桿，另一端連接輔助連桿，四根輔助連桿再與固定軸相連[19]。3.發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析方法機構(gòu)運動學(xué)分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系；動力學(xué)則是研究產(chǎn)生運動的力。發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉(zhuǎn)矩等的分析。（一）傳統(tǒng)的內(nèi)燃機工作機構(gòu)動力學(xué)、運動學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法[20]1、解析法

解析法是對構(gòu)件逐個列出方程，通過各個構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來求解運動副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標(biāo)法等。

2、圖解法

圖解法形象比較直觀，機構(gòu)各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢均能通過圖解一目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對計算機結(jié)果的判斷和選擇。解析法取點數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。不經(jīng)任何計算，對曲柄連桿機構(gòu)直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復(fù)雜。

3、復(fù)數(shù)向量法

復(fù)數(shù)向量法是以各個桿件作為向量，把在復(fù)平面上的連接過程用復(fù)數(shù)形式加以表達，對于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時間參數(shù)的解析式就時間求導(dǎo)后，可以得到機構(gòu)的運動性能。該方法是機構(gòu)運動分析的較好方法。

（二）機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計算機輔助技術(shù)進行機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度，進而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運動所需的作用力[21]。目前，在對內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)進行動力學(xué)分析時，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機商業(yè)軟件，如ADAMS、GT-Power、AVLBOOST。這些軟件的功能重點是在力學(xué)分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對這些復(fù)雜的曲柄連桿機構(gòu)零部件的三維建模很難實現(xiàn)。因而在其仿真分析過程中對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助CAD軟件來完成，如Pro/E、CATIAV5、UG、Solidworks等[22]。當(dāng)考慮到對多柔體系統(tǒng)進行動力學(xué)分析時，有時還需要結(jié)合Ansys等專業(yè)的有限元分析軟件來進行[23]。通過對機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機工作機構(gòu)的運動性能、運動規(guī)律等，從而可以更好地對機構(gòu)進行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計。4.新型材料在曲柄連桿機構(gòu)上的應(yīng)用4.1曲軸新型材料：現(xiàn)階段曲軸的材料主要還是球墨鑄鐵。曲軸的發(fā)展趨勢是以球鐵曲軸代替鋼曲軸,以鑄態(tài)珠光體球鐵曲軸代替熱處理曲軸[24]。4.2連桿新型材料：現(xiàn)階段連桿的材料主要有非調(diào)質(zhì)鋼材料，粉末冶金材料，鈦合金材料，鋁基復(fù)合材料[25]。非調(diào)質(zhì)鋼材料中，如德國研制成功的適合漲斷工藝的高強度非調(diào)質(zhì)鋼36MnVS4；粉末冶金材料中，如日本研制的Fe0.5C2.0Cu0.09S、Fe0.55C2.0Cu0.2S；鈦合金材料中，如日本研制的Ti.3AI.2V；鋁基復(fù)合材料中，如氧化鋁長纖維增強鋁基復(fù)合材料、不銹鋼纖維增強鋁基復(fù)合材料。4.3活塞新型材料：陶瓷材料是用于汽車發(fā)動機活塞上的新材料,具有質(zhì)量輕、耐磨、絕熱性好、高溫強度大等優(yōu)點。全陶瓷活塞目前還無成功的應(yīng)用實例,但組合式陶瓷活塞已在特種發(fā)動機上得到了一定的應(yīng)用。活塞的陶瓷化大致有兩種方式,一種是采用陶瓷鑲塊,材料有鈦酸鋁和氧化鋯,以及反應(yīng)燒結(jié)氮化硅等,另一種方法是采用陶瓷涂層,常用材料為氧化鋯[26]。此外，還有輕質(zhì)鋁基復(fù)合材料。5.總結(jié)綜上所述，曲柄連桿機構(gòu)的三大組成部分基本沒變，了解曲柄連桿機構(gòu)的組成，實現(xiàn)對曲柄連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)成為當(dāng)今發(fā)動機研究的重要內(nèi)容。在保證曲柄連桿機構(gòu)的剛度和強度的條件下，實現(xiàn)它的輕量化、提高其使用壽命對提高發(fā)動機的整體性能極為重要。采用新材料、新工藝可以保證曲柄連桿機構(gòu)在復(fù)雜的受力情況下仍然具有優(yōu)越的性能。研究新材料在曲柄連桿機構(gòu)上的運用是優(yōu)化曲柄連桿機構(gòu)的一種有效方式。此外，由于計算機科學(xué)的發(fā)展，仿真技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，通過三維軟件仿真和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的無縫銜接，不僅可以大大縮短設(shè)計周期、顯著提高設(shè)計質(zhì)量，而且還可以解決傳統(tǒng)設(shè)計方法無法解決的復(fù)雜設(shè)計問題。有助于對發(fā)動機各大系統(tǒng)進行模擬分析，對改善發(fā)動機性能指標(biāo)有重大意義。參考文獻：[1]王九合.汽車發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及其實例分析.山東工業(yè)技術(shù)2013（8）：30-32承德蘇墾銀河連桿股份有限公司.河北承德067000.[2]陳家瑞．汽車構(gòu)造[M]．吉林：吉林工業(yè)大學(xué)出版社，2000.[3]鄧亞東，佘詡妮.基于ANSYS的客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報.2005，18（9）40-42.[4]夸克工作室編著.有限元分析基礎(chǔ)篇ANSYS與Matlab[M].北京：清華大學(xué)出版社出版，2002.[5]黃晉英.發(fā)動機結(jié)構(gòu)的有限元建模與動態(tài)特性分析[J].華北工學(xué)院，2000.[6]徐梓斌，閔劍青.基于Matlab的單缸發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)動力分析[J].現(xiàn)代機械，2004，（3）46-49.[7]郭乙木等.有限元與MSC.Nastran軟件的工程應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2006：1-4頁，100-132頁.[8]童寶紅.內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)的建模與仿真研究.北京：機械工業(yè)出版社，2004:13-17[9]李海國.國內(nèi)外內(nèi)燃機曲軸制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.機械制造技術(shù)，2003年第8期.[10]謝凱.試論汽車發(fā)動機連桿的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[A].科技資訊，2015NO.4.[11]HaroldoChacon.StructuralandFatigueNumericalAnalysisforConnectingRodsDevelopment.2006-01-2515.[12]PravardhanS.ShenoyandAliFatemi.ConnectingRodOptimizationforWeightandCostReduction.TheUniversityofToledo