連桿課程設計

2024年2月21日發(作者：我心愛的寶貝作文)

連桿課程設計

院 別：專 業：班 級：姓 名：學 號：指導教師：說明書

能源與動力工程學院

熱能與動力工程

工程熱物理0902

2013年 1月

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目 錄

前言：

一、連桿概況-------------------------------------------------------------- 3

1.連桿的結構特點---------------------------------------------------- 4

2.連桿工作情況-------------------------------------------------------4

3.連桿設計要求-------------------------------------------------------4

4.連桿的材料選用----------------------------------------------------5

二、連桿PROE建模----------------------------------------------------5

1.建模步驟----------------------------------------------------------- 5

2.建模最終圖-------------------------------------------------------12

三、連桿ANSYS有限元分析----------------------------------------12

1.導入模型------------------------------------------------------------12

2.創建網格------------------------------------------------------------13

3.設置載荷和約束---------------------------------------------------14

4.求解------------------------------------------------------------------14

5應力應變結果顯示------------------------------------------------15

四、總結-------------------------------------------------------------------16

五、參考文獻-------------------------------------------------------------16

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前 言

連桿是發動機中的主要傳動部件之一，它把作用于活塞頂面的膨脹的壓力傳遞給曲軸，又受曲軸的驅動而帶動活塞壓縮氣缸中的氣體。連桿在工作中承受著急劇變化的動載荷。連桿由連桿體及連桿蓋兩部分組成。連桿體及連桿蓋上的大頭孔用螺栓和螺母與曲軸裝在一起。連桿小頭用活塞銷與活塞連接。

我們運用所學的《內燃機設計》、《機械制造基礎》、《內燃機燃燒與排放》、《CAD工程制圖》、《PROE建模》等課程，綜合大學中所學的課程進行連桿的分析校核設計。通過研究連桿的工作過程以及加工工藝過程，以及連桿的三維實體建模和ANSYS強度分析計算，使我們理論結合實踐，提高實際操作能力，增強自身的核心競爭力，在課程設計的過程中具體目標有如下幾個：

1、分析連桿工作環境，性能要求以及材料等；

2、根據圖紙進行三維實體建模；

3、對模型進行有限元分析；

4、根據有限元分析的結果進行強度分析。

根據設計任務要求，我在圖書館查看相關書籍，并嚴格遵循原定計劃的安排。

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一、連桿概況

1.連桿結構特點

連桿由大頭、小頭和桿身等部分組成。大頭為分開式結構連桿體與連桿蓋用螺栓連接。大頭孔和小頭孔內分別安裝軸瓦和襯套。為減輕重量，且使連桿具有足夠的強度和剛度，連桿桿身的截面為工字型，其外表表面不進行機械加工。

大多數汽車的連桿，都是以垂直于桿身的軸線的平面作為連桿體和連桿蓋的結合面，但部分連桿為了方便裝卸，將連桿大頭的結合面做成與連桿桿身軸線的30度或45度，而我們設計的連桿是采用垂直于桿身軸線的平面作為連桿體的結合面。

為了減少活塞銷和連桿小頭孔的磨損及磨損后便于處理，在連桿小頭青銅襯

課程套，大頭孔內裝有軸瓦，以減少連桿大頭孔和曲軸連桿軸頸之間的摩擦。按照軸瓦的種類，采用在大頭孔內裝有剛性厚壁軸瓦的連桿和大頭孔內裝有的薄壁雙金屬軸瓦的連桿。

連桿的大頭和小頭端面，一般與桿身對稱，在連桿結構上規定有工藝凸臺、中設心孔等作為機械加工時的輔助基準。

計考慮到加工時的定位，加工中的輸送等要求，連桿大、小頭一般采用相等厚度。說對于不等厚度的連桿，為了加工定位和夾緊的方便，常在工藝過程中先按等厚度加明書

工，最后再將連桿小頭加工至所需尺寸。

2.連桿工作情況

連桿小頭與活塞銷相連接，與活塞一起做往復運動，連桿大頭與曲柄銷相連和曲軸一起做旋轉運動。因此，連桿體除有上下運動外，還左右擺動，做復雜的平面運動。連桿把作用于活塞頂面的膨脹的壓力傳遞給曲軸，又受曲軸的驅動而帶動活塞壓縮氣缸中的氣體。連桿在工作中承受著急劇變化的動載荷。

3.連桿設計要求

連桿主要承受氣體壓力和往復慣性力所產生的交變載荷，因此，在設計時應首先保證連桿具有在足夠的疲勞強度和結構鋼度。如果強度不足，就會發生連桿螺栓、大頭蓋或桿身的斷裂，造成嚴重事故，同樣，如果連桿組剛度不足，也會對曲柄連桿機構的工作帶來不好的影響。所以設計連桿的一個主要要求是在盡可能輕巧的結構下保證足夠的剛度和強度。為此，必須選用高強度的材料；合理的結構形狀和尺第4頁

寸。

4.連桿的材料選用

汽車發動機連桿的材料一般采用45鋼（精選含碳的質量分數為0.42%-0.47%）或40Cr、35CrMo，并經調質處理，以提高其強度及抗沖擊能力。

二、連桿PROE建模

Pro/E軟件是美國PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一體化軟件。無論是造型設計、工程出圖，以及3D裝配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可動態修改的特點。Pro/E更是以其基于特征的參數化設計、單一數據庫下的全相關性等新概念而聞名于世。另外還具有模具設計，動態、靜態干涉檢查，計算質量特征（如質心、慣性矩）等功能模塊。用Pro/E創建的三維參數化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉動態觀察結構形體，更可以進行方便的動態修改和調整。進行力學分析、運動分析、數控加工等。因此我們選用pro/E進行連桿的建模。

1.建模步驟

連桿具有兩個互相垂直的對稱面，建模過程中可以利用兩個對稱平面，對局部特征進行鏡像和復制操作，從而快速完成特征創建。由于圖紙上已有尺寸標注，為了提高效率，本設計先按照圖紙的尺寸畫出模型圖，然后再放大1.4倍的比例達到所要求的尺寸設計。

1）創建連桿體桿身

運用拉伸命令，拉伸草圖和拉伸高度如圖1所示：

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2）創建連桿體曲面

運用拉伸工具，以TOP面為基準面，繪制連桿體正面曲線，選擇去材料,再鏡像特征。

如圖3所示：

圖3

3）補全連桿中間部分得到凹臺

先在top面草繪圖形如下，然后使用拉伸命令。

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4）創建連桿大圓兩側小凸臺

以RIGHT面為基準，繪制小凸臺。

5）創建連桿大圓兩側大凸臺

以RIGHT面為基準，繪制大凸臺。如圖所示:

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6）創建連桿小圓凸臺

以FRONT面為基準，草繪后拉伸。如圖：

7）創建小圓凸臺中的圓孔

選擇旋轉命令，繪制圓孔的輪廓。

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8)小圓和其上方凸臺作邊倒角

9)大圓凸臺兩側邊倒角

10）做大凸臺底部的孔

選拉伸命令，草圖畫出圓輪廓。

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11)大圓凸臺上部倒圓角

12)大圓凸臺做沉孔

13)大圓凸臺打螺紋孔

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14)桿身凹臺做圓角

15）連桿大頭內側小槽

以新建的基準面為基準，繪制小槽輪廓,拉伸后切除小槽。

16)修改細節

作倒圓角，倒斜角,拔模等。

建模結束后最終圖如下：

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三、 連桿ANSYS有限元分析

把proe生成的圖保存副本為stp格式，并設置為實體。

1.導入模型

打開Ansys Workbench，雙擊或拖動Static Structural到右側project

Schematic，Engineering Data為默認的鋼不做改變，在第三項Geometry中右擊選擇Replace Geometry，選中要導入的stp格式文件,將要分析的stp文件就導入到Ansys中，設置如圖：

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點擊Model —>edit查看導入效果如下：

2網格劃分

點擊Mesh子菜單中的Generate Mesh，創建網格，效果如圖:

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3設置載荷和約束

小圓頭內圓的上1000N軸向載荷方向指向大圓頭。大半圓加固定約束。

4求解

右擊Solution下拉菜單Solve,計算得到結果。

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5應力應變結果顯示：

應力圖：

由于幾何形狀對稱性，受力對稱，故應力圖呈對稱分布。桿身中部應力大于兩個圓頭，小圓頭外側與連桿圓角過渡處（紅色部分）應力集中。

應變圖：

由上圖可知連桿小頭的下半部分是力位移變化大，尤其是沒有桿身支撐的邊緣部分第15頁

變形最明顯（圖中紅色部分），而大圓頭部分基本不變形（圖中深藍色部分）。這是因為小圓頭下部分沿軸線厚度不均，中間厚度大變形小兩側薄變形大，大圓頭離載荷遠故基本不發生變化。由于只對連桿進行靜力學分析，才有這樣的結果。其實實際工作狀況下不是這樣，大圓頭的應力應變分布與小圓頭類似。

四、總結

經過此次的連桿課程設計我們通過對連桿模型的不斷重復修改，我對使用pro/E軟件建模更加熟悉。在建模過程中我們遇到了很多困難，比如看圖不全面，無法想象出模型立體圖，有些特征創建命令不會使用導致經常出錯，我就上網查資料，與同學共同討論研究，最后經歷了好幾次的重復修改才終于解決了困難。比如在拔模的時候對一些概念不是很清楚，拔模無法完成，最后我使用邊倒角命令達到了一樣的效果，還有我查找資料學會了一些高級的建模操作例如過渡圓角，曲面切除等，加深了對軟件的熟悉。在此次的課程設計中對我們挑戰最大的是ANSYS有限元分析的應用，之前我們從來沒有接觸過，因此我幾乎是從頭開始學起，并且該軟件是英文版的，更加大了我們的困難，我必須看著翻譯才能完成操作。在加載荷和約束的時候經常出錯，最后發現原來是建模的時候出錯了，導致面沒法選中。在課程設計過程中我不僅感受到團隊協作的力量還感受到交流的重要性。組內我們經常交流，互相幫助，最后完成了課程設計的任務。

五、參考文獻

[1]郝寶林．發動機曲柄連桿機構建模與仿真[J]．哈爾濱工業大學學報，2006．6．

[2]楊連生．內燃機設計[M]．北京：中國農業機械出版社，1980．6．

[3]任重．ANSYS使用分析教程．北京：北京大學出版社，2003．

2013年1月18日

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