机械制造及其自动化课程设计

摘要I摘要本文对单缸柴油机的主要零部件（活塞）进行了结构设计计算，并对活塞进行了有关运动学和动力学的理论分析与实体模型的创建（运用Pro/E）。首先，以运动学和动力学的理论知识为依据，对曲柄连杆机构的运动规律以及在运动中的受力等问题进行详尽的分析，并得到了精确的分析结果。其次对活塞组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建立了活塞的几何模型，在此工作的基础上，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、连杆组件和曲轴组件进行装配并进行运动仿真分析。关键字：受力分析；运动分析；Pro/E建模目录II目录第1章引言.................................................................................................................11.1选题背景............................................................................................................11.2研究目标和意义................................................................................................11.3研究主要内容....................................................................................................2第2章活塞运动规律的研究.....................................................................................32.1活塞位移.............................................................................................................42.2活塞的速度........................................................................................................52.3活塞的加速度....................................................................................................5第3章活塞组的设计.................................................................................................63.1活塞的设计........................................................................................................63.1.1活塞的工作条件和设计要求..................................................................63.1.2活塞的材料..............................................................................................73.1.3活塞头部的设计......................................................................................73.1.4活塞裙部的设计....................................................................................123.2活塞销的设计..................................................................................................153.2.1活塞销的结构、材料............................................................................153.2.2活塞销强度和刚度计算........................................................................153.3活塞销座..........................................................................................................163.3.1活塞销座结构设计................................................................................163.3.2验算比压力............................................................................................173.4活塞环设计及计算..........................................................................................173.4.1活塞环形状及主要尺寸设计................................................................173.4.2活塞环强度校核....................................................................................173.5本章小结..........................................................................................................19第4章活塞的建模...................................................................................................204.1对Pro/E软件基本功能的介绍.......................................................................204.2活塞的建模......................................................................................................204.2.1活塞的特点分析....................................................................................20目录III4.2.2活塞的建模思路....................................................................................204.2.3活塞的建模步骤....................................................................................21结束语............................................................................................................................26参考文献........................................................................................................................27致谢................................................................................................................................28第1章引言1第1章引言1.1选题背景多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有Pro/Mechanics，Workingmodel3D，ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正[2]。目前国内大学和企业已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据[3-4]。目前国内外对发动机曲柄连杆机构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。发动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[5]。1.2研究目标和意义曲柄连杆机构是发动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。随着发动机强化指标的不断提高，机构的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证机构具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲柴油机改进——活塞组的设计2柄连杆机构设计的关键性问题[1]。通过设计，确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构，包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等，以满足实际生产的需要。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，同时要满足校核计算，还需要对曲柄连杆机构进行动力学分析。为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术，针对机构进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义，而且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，对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增