连杆课程设计
院 别：专 业：班 级：姓 名：学 号：指导教师：说明书
能源与动力工程学院 热能与动力工程 工程热物理0902
2013年 1月
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目 录
前言：
一、连杆概况-------------------------------------------------------------- 3 1.连杆的结构特点---------------------------------------------------- 4 2.连杆工作情况-------------------------------------------------------4 3.连杆设计要求-------------------------------------------------------4 4.连杆的材料选用----------------------------------------------------5 二、连杆PROE建模----------------------------------------------------5
1.建模步骤----------------------------------------------------------- 5 2.建模最终图-------------------------------------------------------12 三、连杆ANSYS有限元分析----------------------------------------12 1.导入模型------------------------------------------------------------12 2.创建网格------------------------------------------------------------13 3.设置载荷和约束---------------------------------------------------14 4.求解------------------------------------------------------------------14 5应力应变结果显示------------------------------------------------15
四、总结-------------------------------------------------------------------16 五、参考文献-------------------------------------------------------------16
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前 言
连杆是发动机中的主要传动部件之一，它把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷。连杆由连杆体及连杆盖两部分组成。连杆体及连杆盖上的大头孔用螺栓和螺母与曲轴装在一起。连杆小头用活塞销与活塞连接。
我们运用所学的《内燃机设计》、《机械制造基础》、《内燃机燃烧与排放》、《CAD工程制图》、《PROE建模》等课程，综合大学中所学的课程进行连杆的分析校核设计。通过研究连杆的工作过程以及加工工艺过程，以及连杆的三维实体建模和ANSYS强度分析计算，使我们理论结合实践，提高实际操作能力，增强自身的核心竞争力，在课程设计的过程中具体目标有如下几个：
1、分析连杆工作环境，性能要求以及材料等； 2、根据图纸进行三维实体建模； 3、对模型进行有限元分析；
4、根据有限元分析的结果进行强度分析。
根据设计任务要求，我在图书馆查看相关书籍，并严格遵循原定计划的安排。
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一、连杆概况 1.连杆结构特点 连杆由大头、小头和杆身等部分组成。大头为分开式结构连杆体与连杆盖用螺栓连接。大头孔和小头孔内分别安装轴瓦和衬套。为减轻重量，且使连杆具有足够的强度和刚度，连杆杆身的截面为工字型，其外表表面不进行机械加工。 大多数汽车的连杆，都是以垂直于杆身的轴线的平面作为连杆体和连杆盖的结合面，但部分连杆为了方便装卸，将连杆大头的结合面做成与连杆杆身轴线的30度或45度，而我们设计的连杆是采用垂直于杆身轴线的平面作为连杆体的结合面。 为了减少活塞销和连杆小头孔的磨损及磨损后便于处理，在连杆小头青铜衬 课程套，大头孔内装有轴瓦，以减少连杆大头孔和曲轴连杆轴颈之间的摩擦。按照轴瓦的种类，采用在大头孔内装有刚性厚壁轴瓦的连杆和大头孔内装有的薄壁双金属轴瓦的连杆。 连杆的大头和小头端面，一般与杆身对称，在连杆结构上规定有工艺凸台、中设心孔等作为机械加工时的辅助基准。 计考虑到加工时的定位，加工中的输送等要求，连杆大、小头一般采用相等厚度。说对于不等厚度的连杆，为了加工定位和夹紧的方便，常在工艺过程中先按等厚度加明书 工，最后再将连杆小头加工至所需尺寸。 2.连杆工作情况 连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除有上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动。连杆把作用于活塞顶面的膨胀的压力传递给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。连杆在工作中承受着急剧变化的动载荷。 3.连杆设计要求 连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷，因此，在设计时应首先保证连杆具有在足够的疲劳强度和结构钢度。如果强度不足，就会发生连杆螺栓、大头盖或杆身的断裂，造成严重事故，同样，如果连杆组刚度不足，也会对曲柄连杆机构的工作带来不好的影响。所以设计连杆的一个主要要求是在尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。为此，必须选用高强度的材料；合理的结构形状和尺第4页
寸。 4.连杆的材料选用 汽车发动机连杆的材料一般采用45钢（精选含碳的质量分数为0.42%-0.47%）或40Cr、35CrMo，并经调质处理，以提高其强度及抗冲击能力。 二、连杆PROE建模 Pro/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。无论是造型设计、工程出图，以及3D装配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。Pro/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。另外还具有模具设计，动态、静态干涉检查，计算质量特征（如质心、惯性矩）等功能模块。用Pro/E创建的三维参数化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体，更可以进行方便的动态修改和调整。进行力学分析、运动分析、数控加工等。因此我们选用pro/E进行连杆的建模。 1.建模步骤 连杆具有两个互相垂直的对称面，建模过程中可以利用两个对称平面，对局部特征进行镜像和复制操作，从而快速完成特征创建。由于图纸上已有尺寸标注，为了提高效率，本设计先按照图纸的尺寸画出模型图，然后再放大1.4倍的比例达到所要求的尺寸设计。 1）创建连杆体杆身 运用拉伸命令，拉伸草图和拉伸高度如图1所示： 第5页
2）创建连杆体曲面 运用拉伸工具，以TOP面为基准面，绘制连杆体正面曲线，选择去材料,再镜像特征。 如图3所示： 图3 3）补全连杆中间部分得到凹台 先在top面草绘图形如下，然后使用拉伸命令。 第6页
4）创建连杆大圆两侧小凸台 以RIGHT面为基准，绘制小凸台。 5）创建连杆大圆两侧大凸台 以RIGHT面为基准，绘制大凸台。如图所示: 第7页
6）创建连杆小圆凸台 以FRONT面为基准，草绘后拉伸。如图： 7）创建小圆凸台中的圆孔 选择旋转命令，绘制圆孔的轮廓。 第8页
8)小圆和其上方凸台作边倒角 9)大圆凸台两侧边倒角 10）做大凸台底部的孔 选拉伸命令，草图画出圆轮廓。 第9页
11)大圆凸台上部倒圆角 12)大圆凸台做沉孔 13)大圆凸台打螺纹孔 第10页
14)杆身凹台做圆角 15）连杆大头内侧小槽 以新建的基准面为基准，绘制小槽轮廓,拉伸后切除小槽。 16)修改细节 作倒圆角，倒斜角,拔模等。 建模结束后最终图如下： 第11页
三、 连杆ANSYS有限元分析 把proe生成的图保存副本为stp格式，并设置为实体。 1.导入模型 打开Ansys Workbench，双击或拖动Static Structural到右侧project Schematic，Engineering Data为默认的钢不做改变，在第三项Geometry中右击选择Replace Geometry，选中要导入的stp格式文件,将要分析的stp文件就导入到Ansys中，设置如图： 第12页
点击Model —>edit查看导入效果如下： 2网格划分 点击Mesh子菜单中的Generate Mesh，创建网格，效果如图: 第13页
3设置载荷和约束 小圆头内圆的上1000N轴向载荷方向指向大圆头。大半圆加固定约束。 4求解 右击Solution下拉菜单Solve,计算得到结果。 第14页
5应力应变结果显示： 应力图： 由于几何形状对称性，受力对称，故应力图呈对称分布。杆身中部应力大于两个圆头，小圆头外侧与连杆圆角过渡处（红色部分）应力集中。 应变图： 由上图可知连杆小头的下半部分是力位移变化大，尤其是没有杆身支撑的边缘部分第15页
变形最明显（图中红色部分），而大圆头部分基本不变形（图中深蓝色部分）。这是因为小圆头下部分沿轴线厚度不均，中间厚度大变形小两侧薄变形大，大圆头离载荷远故基本不发生变化。由于只对连杆进行静力学分析，才有这样的结果。其实实际工作状况下不是这样，大圆头的应力应变分布与小圆头类似。 四、总结 经过此次的连杆课程设计我们通过对连杆模型的不断重复修改，我对使用pro/E软件建模更加熟悉。在建模过程中我们遇到了很多困难，比如看图不全面，无法想象出模型立体图，有些特征创建命令不会使用导致经常出错，我就上网查资料，与同学共同讨论研究，最后经历了好几次的重复修改才终于解决了困难。比如在拔模的时候对一些概念不是很清楚，拔模无法完成，最后我使用边倒角命令达到了一样的效果，还有我查找资料学会了一些高级的建模操作例如过渡圆角，曲面切除等，加深了对软件的熟悉。在此次的课程设计中对我们挑战最大的是ANSYS有限元分析的应用，之前我们从来没有接触过，因此我几乎是从头开始学起，并且该软件是英文版的，更加大了我们的困难，我必须看着翻译才能完成操作。在加载荷和约束的时候经常出错，最后发现原来是建模的时候出错了，导致面没法选中。在课程设计过程中我不仅感受到团队协作的力量还感受到交流的重要性。组内我们经常交流，互相帮助，最后完成了课程设计的任务。 五、参考文献 [1]郝宝林．发动机曲柄连杆机构建模与仿真[J]．哈尔滨工业大学学报，2006．6． [2]杨连生．内燃机设计[M]．北京：中国农业机械出版社，1980．6． [3]任重．ANSYS使用分析教程．北京：北京大学出版社，2003． 2013年1月18日
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