文獻綜述題目H478發(fā)動機曲柄連桿機構設計與三維建模二級學院專業(yè)班級學生姓名學號指導教師職稱時間文獻綜述H478發(fā)動機的曲柄連桿機構的設計及三維建模摘要:曲柄連桿機構是發(fā)動機傳遞運動和動力的機構，通過它將活塞的往復直線運動轉化為曲軸的旋轉運動，從而輸出動力。隨著發(fā)動機的強化指標不斷提高，機構的工作條件也更加復雜，設計也更有考究。主要通過介紹汽車發(fā)動機曲柄連桿機構的組成、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、其運動學和動力學的分析方法、新型材料在曲柄連桿上的運用等內(nèi)容，分析和總結曲柄連桿機構設計的發(fā)展方向。關鍵詞:曲柄連桿機構、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。而曲柄連桿機構作為發(fā)動機中的能源轉化機構，只有不斷對其進行優(yōu)化設計才能滿足對其性能不斷提高的需求。1.發(fā)動機曲柄連桿機構的組成發(fā)動機曲柄連桿機構即曲軸組、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運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，為汽車的行駛和其他需要動力的機構輸出扭矩。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，將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動[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)動機曲柄連桿機構設計開發(fā)過程中應用比較廣泛的現(xiàn)代設計理論主要有：計算機輔助設計，多缸體動力學分析，有限元分析，計算機輔助工程熱力學以及綜合利用這些理論的優(yōu)化設計[3-5]。（1）計算機輔助設計（CAD—ComputerAidedDesign）20紀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計技術。60年代初期出現(xiàn)了CAD計算機輔助繪圖技術，中期推出商品化的計算機繪3圖設備，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，圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設備，促進了CAD技術的發(fā)展。目前國外在這方面的技術已經(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計軟件（I-DES）?，F(xiàn)在CAD己在電子電氣、科學研究、機械設計、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)、計算機藝術等各個領域得到廣泛應用[3]。（2）多體動力學分析(MBS—Multi-BodiesDynamicsSimulation)多體動力學模擬是十年發(fā)展起來的機械計算機模擬技術。多體系統(tǒng)動力學包括多剛體系統(tǒng)動力學與多柔體系統(tǒng)動力學，對系統(tǒng)進行多剛體動力學分析需要大量的計算，多柔體系統(tǒng)的計算則更加復雜。在計算機技術高度發(fā)達之前，該理論只應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分析軟件ADAMS,其不但適用于多剛體系統(tǒng)的動力學分析,而且可以進行多柔體系統(tǒng)的動力學分析[4]。其它的多剛體動力學分析軟件還有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)大學進行了機構運動、動力仿真分析方面的研究和局部應用，但都很少應用于生產(chǎn)，其相關資料也不多。（3）有限元分析(FEA—FiniteElementAnalysis)有限元分析利用數(shù)學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)化設計理論結構優(yōu)化理論是上世紀50年代出現(xiàn)的一種新的設計方法，它是以最優(yōu)化數(shù)學理論為基礎，借助電子計算機選擇最優(yōu)化設計方案的一種優(yōu)化技術。目前優(yōu)化方法己成為數(shù)學的一個重要分支，將優(yōu)化理論應用于設計，不僅可以大大縮短設計周期、顯著提高設計質(zhì)量，而且還可以解決傳統(tǒng)設計方法無法解決的復雜設計問題?，F(xiàn)在優(yōu)化設計理論已相當成熟，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)動機中應用優(yōu)化設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)動機設計過程涉及的約束條件多，設計目的也多，是典型的多目標優(yōu)化設計問題。目前國外的科研機構已經(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)標準的模擬仿真工具。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、配氣機構六個方面。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)化設計功能，能進行直接優(yōu)化、DOE設計/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商使用。2.1.2曲柄連桿機構零部件發(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、釩等相關的微量合金元素。我國與20世紀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鍵性的進展,但是其整體的技術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)的金屬基復合型材料?，F(xiàn)階段,國內(nèi)外都已經(jīng)開展了金屬基復合型材料在汽車連桿生產(chǎn)過程中的應用工作[10]。連桿是內(nèi)燃機運行過程中的一種結構構件，在開發(fā)過程中應考慮疲勞現(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計和優(yōu)化。疲勞強度是連桿優(yōu)化設計中最重要的因素[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(陶瓷增強的復合材料)等。這些材料中，鋁合金應用的最多，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[16]。(4)曲柄連桿機構的發(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)展方向開展技術創(chuàng)新。曲柄連桿機構的技術創(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以及多連桿機構。最新研究和聲源識別表明，高平衡性的曲柄連桿機構設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，在連桿小頭采用了搖臂結構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的構造并不復雜，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構實現(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)動機曲柄連桿機構的運動學和動力學分析方法機構運動學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系；動力學則是研究產(chǎn)生運動的力。發(fā)動機曲柄連桿機構的動力學分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉矩等的分析。（一）傳統(tǒng)的內(nèi)燃機工作機構動力學、運動學分析方法主要有圖解法和解析法[20]1、解析法

解析法是對構件逐個列出方程，通過各個構件之間的聯(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、直角坐標法等。

2、圖解法

圖解法形象比較直觀，機構各組成部分的位移、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，但方法十分復雜。

3、復數(shù)向量法

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

（二）機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術的核心是利用計算機輔助技術進行機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，以確定系統(tǒng)各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，進而確定系統(tǒng)及其及其各構件運動所需的作用力[21]。目前，在對內(nèi)燃機曲柄連桿機構進行動力學分析時，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分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對這些復雜的曲柄連桿機構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構復雜的模型就要借助CAD軟件來完成，如Pro/E、CATIAV5、UG、Solidworks等[22]。當考慮到對多柔體系統(tǒng)進行動力學分析時，有時還需要結合Ansys等專業(yè)的有限元分析軟件來進行[23]。通過對機構運動學、動力學的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機工作機構的運動性能、運動規(guī)律等，從而可以更好地對機構進行性能分析和產(chǎn)品設計。4.新型材料在曲柄連桿機構上的應用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；鋁基復合材料中，如氧化鋁長纖維增強鋁基復合材料、不銹鋼纖維增強鋁基復合材料。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,以及反應燒結氮化硅等,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)鋁基復合材料。5.總結綜上所述，曲柄連桿機構的三大組成部分基本沒變，了解曲柄連桿機構的組成，實現(xiàn)對曲柄連桿機構的結構優(yōu)化已經(jīng)成為當今發(fā)動機研究的重要內(nèi)容。在保證曲柄連桿機構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在復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上的運用是優(yōu)化曲柄連桿機構的一種有效方式。此外，由于計算機科學的發(fā)展，仿真技術在汽車領域的應用，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計周期、顯著提高設計質(zhì)量，而且還可以解決傳統(tǒng)設計方法無法解決的復雜設計問題。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)動機曲柄連桿機構結構設計及其實例分析.山東工業(yè)技術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．汽車構造[M]．吉林：吉林工業(yè)大學出版社，2000.[3]鄧亞東，佘詡妮.基于ANSYS的客車車身結構有限元分析[J].武漢科技學院學報.2005，18（9）40-42.[4]夸克工作室編著.有限元分析基礎篇ANSYS與Matlab[M].北京：清華大學出版社出版，2002.[5]黃晉英.發(fā)動機結構的有限元建模與動態(tài)特性分析[J].華北工學院，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)燃機曲軸制造技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.機械制造技術，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