摘 要

为了满足重型卡车扭矩大、输出功率高的特点，一般都选用柴油机作为动力源，而且比较笨重。随着近年来柴油机朝着高速化方向发展，柴油机相比于汽油机其曲柄连杆机构的工作环境更加恶劣，因此柴油机曲柄连杆机构的设计尤为重要，这将直接影响柴油机的工作可靠性、振动、噪声等指标。本文以上柴D6114ZLQ9B型柴油机的有关参数为依据，对曲轴和连杆机构进行了结构设计和动力学分析，并对曲轴疲劳强度进行计算校核。最后采用solidworks软件对机构中主要零件进行三维建模和机构的装配，并利用motion模块进行仿真分析，观察曲轴的运动是否产生干涉，为发动机曲柄连杆机构的优化设计提供一种途径。

关键词：柴油机；曲柄连杆机构设计；建模仿真；动力学分析

abstract

In order to meet the characteristics of heavy-duty trucks with large torque and high output power, diesel engines are generally used as power sources, and they are relatively heavy and heavy. With the development of diesel engines in the direction of higher speeds in recent years, the working environment of diesel engine crankshaft linkage mechanisms is worse than that of gasoline engines. Therefore, the design of diesel engine crank linkage mechanisms is particularly important, which will directly affect the reliability and vibration of diesel engines. , noise and other indicators. Based on the relevant parameters of diesel D6114ZLQ9B diesel engine, the structure design and dynamic analysis of crankshaft and connecting rod mechanism are carried out, and the crankshaft fatigue strength is calculated and checked. Finally, the solidworks software is used to carry out three-dimensional modeling and assembly of the main parts of the mechanism. The motion module is used for simulation analysis to observe whether the crankshaft movement interferes. It provides a way for the optimal design of the engine crank linkage mechanism.

Key words: diesel engine; design of crank-link mechanism; modeling and simulation; dynamic analysis

目 录

摘要 I

abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 设计研究的主要内容 2

第2章 曲柄连杆机构运动和动力分析 3

2.1 曲柄连杆机构运动学分析 3

2.1.1活塞位移 3

2.1.2 活塞速度 4

2.1.3 活塞加速度 4

2.2 曲柄连杆机构动力学分析 4

2.2.1 缸内气体作用力 4

2.2.2 往复惯性力 6

2.2.3作用在活塞上的总作用力 6

2.2.4活塞上总作用力分解与传递 7

2.2.5单缸转矩和合成转矩的求解 7

2.3本章小结 8

第3章 活塞组的设计 9

3.1 活塞的设计 9

3.1.1 活塞的工作条件及设计要求 9

3.1.2 活塞的材料选择 9

3.1.3 活塞顶部设计 10

3.1.4 活塞头部设计 10

3.1.5 活塞裙部设计 11

3.2 活塞销设计 12

3.2.1活塞销的材料选择 12

3.2.2活塞销的结构和尺寸 12

3.3 活塞环设计 12

3.4 本章小结 13

第4章 连杆组的设计 14

4.1 连杆组的工作条件及设计要求 14

4.1.1连杆组的工作条件 14

4.1.2连杆组的设计要求 14

4.2 连杆组的材料选择 14

4.3 连杆结构参数的设计 14

4.3.1连杆长度l的确定 14

4.3.2连杆小头的设计 15

4.3.3连杆杆身的设计 15

4.3.4连杆大头的设计 15

4.4 本章小结 16

第5章 曲轴组的设计 17

5.1 曲轴的工作环境和设计原则 17

5.1.1 曲轴的工作环境 17

5.1.2曲轴的设计原则 17

5.2 曲轴的结构型式 17

5.3 曲轴的材料 17

5.4 曲轴结构参数的确定和细节设计 18

5.4.1 曲柄销的直径和长度 18

5.4.2主轴颈的直径和长度 18

5.4.3曲柄设计 18

5.5曲轴结构设计 19

5.5.1油道布置 19

5.5.2曲轴两端的结构 19

5.5.3曲轴止推 19

5.5.4过渡圆角 19

5.6 曲轴疲劳强度校核 19

5.6.1主轴颈的计算 20

5.6.2曲柄计算 20

5.7本章小结 21

第6章 曲柄连杆机构建模及仿真分析 22

6.1 活塞组的建模 22

6.1.1 活塞的建模 22

6.1.2 活塞销的建模 23

6.2 连杆组的建模 23

6.2.1连杆的建模 23

6.2.2连杆盖的建模 24

6.3 曲轴的建模 24

6.4曲柄连杆机构的装配 25

6.6本章小结 26

第7章 曲柄连杆机构仿真分析 27

7.1 基于motion模块的运动学仿真分析 27

7.2基于simulation模块的动力学仿真分析 29

7.3 本章小结 31

第8章 总结与展望 32

8.1总结 32

8.2展望 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1 选题的目的及意义

21世纪以来，我国汽车工业飞速发展，我国汽车保有量也随着汽车工业的发展和人民生活水平的提高大幅度增加。重型卡车柴油发动机具有扭矩大、输出功率高的优点，在很多行业的应用也越来越广泛，尤其是在物流运输行业和基础设施建设行业有着举足轻重的地位。然而，随着全球能源短缺和环境污染问题日益突出，近几年来还面临着越来越多的新能源动力汽车的竞争，电动汽车行业巨头特斯拉最近也推出了旗下Semi电动卡车，大有向卡车领域进军之势。为了应对面临的各种问题，如今的汽车行业都朝着轻量化发展，对于重型卡车来说，为了满足扭矩大、输出功率高的要求以及柴油机压缩着火的特性，重型卡车的发动机一般都比较笨重，发动机的轻量化势必会带来结构安全和运行寿命问题。与此同时汽车保有量的剧增让车辆噪声成为了困扰城市生活的最主要噪声来源^[1]。尤其对于卡车等以柴油机作为动力源的车辆来说，发动机的噪声和振动都比较大，一方面给城市噪声控制带来困扰，另一方面会通过底盘等途径传递到驾驶室内，降低乘员，特别是驾驶员乘坐的舒适性，使得驾驶员在行驶过程中容易产生疲劳，影响驾驶安全^[2]。这也是一直以来采用柴油发动机的家用车在市场上不受消费者青睐的原因之一。

作为柴油机的核心运动件和传力件，曲柄连杆机构对发动机的性能和寿命有着非常重要的影响。随着柴油机向着高速、轻量化方向发展，同时运行机构中各种强化指标要求更加严格，连杆的工作条件也越来越复杂。在进行发动机曲柄连杆机构的设计时，一方面希望其有足够的强度和刚度，提高发动机的可靠性和耐久性，另一方面又希望尽量轻量化，减小发动机的振动和噪声^[3]。通过对柴油机曲柄连杆机构的优化设计并运用计算机软件建模进行仿真分析，这对发动机的制造和性能的提升有很大帮助。本课题主要是针对目前重型卡车柴油发动机振动和噪声大的问题，对曲轴和连杆机构进行结构优化设计和动力学分析，应用三维建模Solidworks软件对其进行仿真分析，分析曲轴的运动是否受到干涉，为柴油机曲柄连杆机构的优化设计提供一种途径。

1.2 国内外研究现状

对于曲柄连杆机构的设计及动力学分析，国内外早在一二十年前就开始进行了相关研究。S. Ji^[4]，Christopher C. Yang^[5]等人分别于2000年和2003年提出一种算法，该算法可以实现相互配合的零部件间最佳的公差分配，从而使得零件公差在满足装配要求的前提下减小制造成本，并举例来说明各自算法是可行的。2006年王晓云^[6]通过建立内燃机常用的三种曲柄连杆机构运动学和动力学模型，对其进行不同工况下的运动学和动力学分析，并开发了研究系统对分析结果进行了可视化表达。2010 年，王晓^[7]提出了部件弹性和动压润滑对激励载荷分析的影响问题，分别对考虑油膜动力润滑和部件柔性体以及忽略油膜动力润滑两种情况的激励载荷进行了仿真分析并通过比较得出结论。2011年，史雷鸣^[8]等人为解决某些车辆实际使用过程中发动机的振动噪声问题，对曲柄连杆机构进行重新设计和优化，并建立曲柄连杆机构的动力学仿真模型，获得了较准确的分析结果。2013年，刘先一^[9]研究了在不考虑摩擦阻力和负载阻力的影响情况下，用仿真软件研究曲柄连杆机构的运动学和动力学规律，并对连杆进行较为准确的可靠性分析。王吉忠^[2]等人就目前发动机轻量化发展下，对采用铝基粉锻连杆的四冲程水冷直列四缸柴油机的曲柄连杆机构进行动力学分析，得到其主要动力学参数的变化规律，这也为粉锻连杆的结构分析和优化设计提供了基础。内燃机曲柄连杆机构传统的动力学、运动学分析方法主要有图解法、解析法和复数向量法^[10]。本课题将针对重型卡车柴油发动机振动和噪声大的问题，对曲柄连杆机构进行优化设计，并通过计算机软件对设计的曲柄连杆机构进行三维建模和仿真分析。

1.3 设计研究的主要内容

本文通过对曲柄连杆机构进行结构设计，进行曲轴的疲劳强度校核，并应用Solidworks软件进行三维实体建模和动力学分析，具体研究内容如下：

（1）对活塞的运动规律进行运动学分析，对曲柄连杆机构的受力情况进行动力学分析，为曲轴疲劳强度的计算和校核提供数据支持；