内燃机三维建模及活塞连杆机构优化设计

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除四川理工学院毕业设计（论文）内燃机三维建模及活塞连杆机构优化设计学 生：王兴军学 号：07011030223专 业：机械设计制造及其自动化班 级：车辆071班指导教师：王东四川理工学院机械工程学院二O一一年六月四 川 理 工 学 院【精品文档】第 1 页四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 内燃机三维建模及活塞连杆机构优化设计 系： 机械工程 专业： 机械设计制造及自动化 班级：车辆071学号： 07011030223 学生： 王 兴 军 指导教师： 王 东 接受任务时间 教研室主任 （签名） 系主任 （签名）1 毕业设

2、计（论文）的主要内容及基本要求主要内容： 将Pro/E基于特征的参数化建模功能和曲面造型功能相结合，建立内燃机各组成零部件三维数字化虚拟模型，并对内燃机活塞连杆机构作优化设计。完成内燃机的数字化虚拟装配及仿真运动分析。 基本要求：利用Pro/E工程图模块自动生成满足国标要求的内燃机各零部件和装配体的工程视图。实现内燃机的数字化虚拟装配，检查运动和装拆时是否会发生干涉碰撞。进行内燃机，特别是活塞连杆机构的数字化虚拟运动分析，确定产品是否满足规定的运动和功能要求。 就设计内容写12篇学术论文。撰写设计说明书。将所有设计结果（包括组成内燃机的各零部件及装配体三维数字化虚拟模型Pro/E源文件）刻录成

3、光盘。2指定查阅的主要参考文献及说明数字化设计与制造,苏春主编,机械工业出版社,2006.虚拟设计，陈定芳，罗亚波等著，机械工业出版社，2002.Pro/ENGINGEER Wildfire 3.0中文版机械设计专家指导教程，金鑫等编著，机械工业出版社，2007.计算机辅助设计与制造，姚英学，蔡颖主编，高等教育出版社，2002.Pro/ENGINGEER中文版机械设计实战训练，谭雪松，朱金波等编，人民邮电出版社，2004.与本产品设计相关的市场信息资料，新技术研究成果，Pro/ENGINGEER三维造型及计算机辅助设计学习网站。 3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1收集资料,撰写开

4、题报告。学习掌握Pro/ENGINGEER三维建模方法。 2011.3.282011.4.172建立内燃机各组成零部件三维数字化虚拟模型。2011.4.182011.5.83内燃机三维数字化虚拟装配设计及虚拟运动仿真分析。 2011.5.92011.5.164组成零部件和装配体的工程视图设计。 2011.5.172011.5.245撰写设计说明书，设计结果光盘制作，准备毕业答辩。2011.5.252011.6.10摘要内燃机是我国机械发展跨行业、跨部门最多的行业，可广泛应用于包括汽车、工程机械、农业机械、船舶、内燃机车、内燃机发动设备、地质石油钻机、军用各种机械等产品，是上述各种产品的心脏，因

5、此，内燃机行业的发展对我国工业、交通运输、农业、国防建设以及人民生活都有十分重大影响。但由于内燃机分类较多，结构复杂，加上技术与条件的限制，所以本设计主要以结构简单，制造成本低廉的摩托车二冲程单缸发动机为模型，对其主要零部件建立基于Pro/E的三维数字化虚拟模型，并对各零部件进行了数字化虚拟装配与运动分析。关键词：内燃机；Pro/E；三维建模；运动分析AbstractThe development of internal combustion engine is the largest cross-industry and inter-department one in China. It c

6、an be widely used for automobile, engineering machinery, agricultural machinery, ships, locomotives, internal combustion engining equipment, geological oil rig, military machinery and other products, and it is the heart of these products. Therefore, the development of internal combustion engine indu

7、stry has a very significant impact on the development of industry, agriculture, transport, national defence and peoples lives as well. However, Internal combustion engines, which are complicated in structure and are restricted by technology and conditions, have many styles. Therefore, this design ma

8、inly uses motorcycle two-stroke single cylinder engine for model, which is simple in structure and low in manufacturing cost. At the same time, this design uses Proe as the soft of establishing the three-dimensional digital virtual model to simulate and analyse the digital and virtual assembly for i

9、ts main components.Keywords: internal combustion engine, Pro/E, three-dimensional digital virtual model, analyse目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题的由来11.2 研究内燃机的目的和意义11.3 内燃机简介11.4 内燃机的分类11.4.1按照所用燃料分类21.4.2按照行程分类21.4.3按照冷却方式分类21.4.4按照气缸数目分类21.4.5按气缸排列方式分类21.4.6按照进气系统是否采用增压方式分类21.5 单缸内燃机介绍31.5.1单缸内燃机简介31.5

10、.2单缸发动机特点31.6 PRO/Engineer的介绍31.6.1 PRO/Engineer的简介41.6.2 PRO/Engineer研究意义51.6.3 PRO/Engineer特点6第二章 内燃机结构及工作原理72.1 单缸内燃机构造及工作原理72.1.1单缸内燃机的构造72.1.2二冲程发动机工作原理9第三章 内燃机部分参数的确定103.1 内燃机冲程数的选择103.2 汽缸数和布置方式的选择10第四章 内燃机各零部件的设计建模114.1 活塞的设计建模114.1.1 活塞的设计114.1.2 活塞的三维建模114.1.3 活塞环的三维建模124.1.4 活塞销的三维建模124.2

11、 连杆的设计建模134.2.1连杆的设计要求134.2.2 连杆的三维建模144.3 曲轴的设计建模144.3.1曲轴的设计要求144.3.2 曲轴的三维建模154.4 飞轮的设计建模154.4.1飞轮的设计要求154.4.2飞轮的三维建模164.5 曲轴轴承的设计建模164.5.1曲轴轴承的设计要求164.5.2曲轴轴承的三维建模164.6 曲轴箱的设计建模174.6.1曲轴箱前盖的三维建模174.6.2 曲轴箱后盖的三维建模184.7 发动机气缸的设计建模194.7.1发动机气缸的三维建模194.8 螺栓的设计建模204.8.1气缸与曲轴箱连接螺栓的三维建模204.8.2曲轴箱螺栓的三维建

12、模21第五章 利用PRO/E进行装配设计225.1 装配注意的事项225.2 活塞的装配235.3 曲轴飞轮的装配245.4 总体的装配25第六章 利用PRO/E进行运动仿真分析346.1 机械仿真的作用和理念346.2 内燃机的仿真过程356.2.1 建立连接关系356.2.2 设置伺服电机376.3 机构的运动分析396.4 机构分析结果的播放及录制406.5 测量活塞运动的数据426.5.1 活塞速度的测量436.5.2 活塞加速度的测量44第七章 结论47参考文献48致谢49第一章 绪论1.1课题的由来内燃机是我国机械发展跨行业、跨部门最多的行业，可以广泛应用于包括汽车、工程机械、农业

13、机械、船舶、内燃机车、内燃机发动设备、地质石油钻机、军用各种机械等产品上，是上述各种产品的心脏，因此，内燃机行业的发展对我国工业、交通运输、农业、国防建设以及人民生活都有重大影响。1.2研究内燃机的目的和意义在竞争激烈的21世纪，内燃机面临着更多方面的挑战，在节约能源、燃料多样化、提高功率、延长寿命、提高可靠性、降低排放和噪声、减轻质量、缩小体积、降低成本、简化维护保养等方向上对内燃机工艺要求越来越高。天然气、醇类、植物油及氢等新型燃料将为内燃机增添新活力,而内燃机电子控制技术在提高品质同时也延长了内燃机行业的“生命”。新材料与工艺技术革命,为21世纪内燃机发展产生了新推动力。21世纪的内燃机

14、,将会在经济发展和社会进步上发挥更重要的作用。因此，研究该课题对内燃机行业的发展具有重要意义。1.3内燃机简介内燃机，是一种动力机械，它是通过燃料在机器内燃烧，并将其释放出来的热能直接转化为动力的热力发动机。广义上的内燃机不仅仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机与自由活塞式发动机，还包括旋转叶轮式燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构将机械能输出，驱动机械工作。1.4内燃机的分类内燃机的分类方法很多，按照不同的分类

15、方法可以把内燃机分成不同的类型，下面让我们来看看内燃机是怎样分类的。1.4.1按照所用燃料分类 内燃机按照所使用燃料的不同可分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。1.4.2 按照行程分类内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机和二行程内燃机。把曲轴转两圈(720)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机；而把曲轴转一圈(360)，活塞在气缸内上下往复运动两

16、个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。1.4.3按照冷却方式分类 内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。1.4.4按照气缸数目分类内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸

17、等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。1.4.5按气缸排列方式分类内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角180(一般为90)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180称为对置式发动机。1.4.6按照进气系统是否采用增压方式分类 内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气(非增压)式发动机和强制进气(增压式)发动机。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。1.5单缸内燃机介绍1.5.1单缸内燃机

18、简介 单缸内燃机是所有内燃机中最简单的一种，只有一个气缸，是发动机的基本形式。 单缸发动机工作时，曲轴每转过一圈（二冲程）或者两圈（四冲程），气缸内部的混合气体点火燃烧一次，从声音和振动上能明显感觉到发动机的工作时断续的。 如果从工作的连贯性来看，单缸发动机工作不平衡，转速波动比较大，容易熄火。但是它的结构简单，制造成本低，维护容易，是中低档小型摩托车用发动机的首选。1.5.2单缸发动机特点 和同排量的多缸发动机相比，单缸发动机工作时只有一套机件在运转，因此致使运动件的惯性力得不到抵消，所以振动较大。转速越高，振动越明显。还有，单缸发动机运动件的尺寸较大，不利于发动机提高转速，并且随着发动机的

19、排量增加而更加明显。因此单缸发动机排量越大，升功率越小。 由于单缸发动机结构较简单，与同排量的多缸发动机相比，具有重量轻，结构尺寸小的特点，使用单缸发动机有利于减轻整车的重量，所以提高了整车的操控的灵活性。 采用发动机横向布置时，曲轴旋转的陀螺效应会阻碍摩托车侧倾转弯，曲轴越重这种阻力也就越大。由于单缸发动机曲轴短，陀螺效应相对要低些，所以左右侧倾轻便。驾驶员会感觉方向把较轻便。 由于单缸发动机有以上特点，所以，250CC以上的越野摩托车多采用单缸发动机，此外超级运动摩托车大都也装用单缸发动机。在普通的摩托车中，一般125CC以下小型摩托车大都采用 单缸发动机。 1.6 PRO/Enginee

20、r的介绍1.6.1 PRO/Engineer的简介PRO/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 1).真实3D模型在PRO/E中，设计出的模型是真实的3D模型，弥补了传统面结构、线结构的不足。这些3D实体模型除了可将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来之外，借助系统参数，用户还可随时计算出产品的体积、面积、重心重量、惯性大小等等，以了解产品的真实性，并可进一步的组建装配等的运算。我们在产品设计过程中，可随时掌握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为的计算。2).以特征作为设计的单位P

21、RO/E的特征方式是基于人性化的设计，初次使用PRO/E的人会对特征感到亲切，PRO/E中正是以最自然的思维方式从事设计工作，如孔、开槽、做成圆角等均被视为零件设计的基本特征，除了充分掌握设计思想之外，还在设计过程中加入实际的制造思想，也正是因为以此特征作为设计的单元，因此可以随时对特征做合理的变化。不违反几何原理的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作。3).单一数据库在PRO/E中可由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸。不论在3D还是2D图形上做尺寸修改，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改，同时组合、制造等相关设计也自动修改，这样可以确保数据的正确，并避免反复修正所

22、耗费的时间，由于采用单一数据库，提供了所谓双相关联性的功能，这种功能也正符合现代产业中同步工程的思想。4).参数式设计配合单一数据，所有设计过程中所使用的尺寸、参数都在数据库中，修改CAD模型及工程图不再是一件难事，设计者只要更该3D零件的尺寸，则工程图、组合、模具等就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，以达到涉及修改工作的一致，避免发生人为改图的疏露情形，减少了许多人为改图的时间和精力消耗。也正因有参数的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系，使得模型可自动计算出应有外型，减少尺寸修改的繁琐过程，并减少错误发生。Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的主

23、要部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图，其中三维造型还可移动，放大或缩小和旋转。PRO/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段建立形体，对于工程师来说这显得更自然、更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象别的系统是直接指定固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间关系，任何一个参数改变，其它相关的特征也自动修正。这种功能使修改

24、更为方便，可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕显示，还可以传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机上。PRO/Engineer还可输出三维和二维图形于其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这些都是通过标准数据交换格式来实现的。使用者可以自由配置PRO/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件功能。它在单用户环境下，即没有任何附加模块，具有大部分的设计能力，组装能力和工程制图的能力，不包括ANSI，ISO， DIN或 JIS标准，并且支持符合工业标准的绘图仪和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。PRO/Engineer功能如下： 1). 特征驱

25、动（如：凸台、槽、倒角、腔、壳）。 2). 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件）。 3). 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积）的关系进行设计。 4).支持大型、复杂组合件设计(规则排列的系列组件，交替排列，PRO/E的各种能用零件设计的程序化方法)。5）.贯穿所有应用的完全相关性，即任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方的变动。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER基本功能。1.6.2 PRO/Engineer研究意义PRO/E是三维实体建模与分析软件当中性能非常出色的一款软件。使用PRO/E，可以实现机械零部件实体建模、虚拟装配

26、、运动仿真、强度分析等工作，具有直观、便捷等的特点，是现代机械设计中非常重要的设计工具。在进行运动与强度分析工作中，应该切实理解软件所适应的工作条件，否则得到不正确的结果。在当前PRO/E研究基础上，还可在下列领域加强研究，以更好的让PRO/E为机械设计领域服务。 1.6.3 PRO/Engineer特点使用PRO/E，可以很大程度简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发的周期，大量减少产品开发费用及成本，明显提高产品的质量和产品的系统级性能获得更加优化和创新的设计产品。PRO/E不仅仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品的设计理念。一方面和传统的仿真分析相比，传统的

27、仿真一般是针对单个子系统的仿真，而PRO/E是强调整体的优化设计，它通过虚拟整机与虚拟环境耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计的方案，直到获得更优的整机性能。第二章 内燃机结构及工作原理2.1 单缸内燃机构造及工作原理2.1.1单缸内燃机的构造发动机是一种由许多机构和系统组成复杂机器。无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构系统。1）.曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等

28、组成。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。2）.配气机构 配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。3）.燃料供给系统 汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴油机燃料供给系的功用是把柴油和空

29、气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。柴油机是以柴油为燃料。由于柴油的蒸发性和流动性都比汽油差，因此柴油机不能像汽油机那样在汽缸外部形成可燃混合气。柴油机的混合气只能在气缸内部形成，即在接近压缩行程终点时，通过喷油器把柴油喷入气缸内。柴油机燃油供给系统包括喷油泵、喷油器和调速器等主要部件及燃油箱、输油泵、油水分离器、燃油滤清器、喷油提前器和高、低压油管等辅助装置。4）.润滑系统润滑系的功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。

30、5）.冷却系统 冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。6）.点火系统在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。柴油机的压缩比比汽油机的压缩比大很多(一般为1622)，压缩终了时气体温度和压力都比汽油机高，大大超过了柴油机的自燃温度。压缩终了时，气体压力约为3.54.5MPa，气体温度约为7501000K，

31、柴油机是压缩后自燃着火的，不需要点火，故柴油机又称为压燃机。因此柴油机不需要点火系。 柴油喷入气缸后，在很短的时间内与空气混合后便立即着火燃烧，柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的，而不象汽油机那样，混合气主要是在气缸外部的化油器中形成的。7）.起动系统 要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。 柴油机由以上两大机构和四大系

32、统组成，即由曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系和起动系组成，柴油机是压燃的，不需要点火系。汽油机由以上两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成。2.1.2二冲程发动机工作原理二冲汽油程发动机的工作循环包括进气、压缩、做功、排气四个过程，不过这些过程的完成仅需要活塞两个行程或者说曲轴旋转一周。二冲程汽油机工作循环，其进、排气均由活塞控制。第一行程 在曲轴的带动下，活塞由下止点向上止点运动，当活塞将换气孔、排气孔、进气孔都关闭了时，活塞开始压缩进入气缸的混合气体，同时在活塞下方的曲轴箱内形成了一定的真空度，因此当进气孔开启时

33、，化油器供应的混合气被吸入曲轴箱内，直到活塞到达上止点，完成压缩和进气行程。第二行程 当活塞接近上止点的时候，火花塞产生电火花，点燃混合气，燃烧后形成高温、高压的气体，推动活塞向下止点运动并做功。当活塞下行到关闭进气孔后，活塞下方曲轴箱内可燃混合气被预压。当活塞下行至排气孔开启的时候，废气靠自身压力经排气孔而排出，紧接着换气孔开启了，曲轴箱内预压的混合气经换气孔进入气缸，并扫除气缸内的废气，这一过程为做功和排气行程。第三章 内燃机部分参数的确定3.1 内燃机冲程数的选择二冲程发动机的优点：1）.二冲程发动机没有阀，大大的简化的其结构，并且减轻了自身的重量。2）.二冲程发动机每一回转就会点火一次

34、，二四冲程发动机每隔一次回转才点火一次。这付与二冲程发动机重要的动力基础。3）.二冲程发动机可以在任何方位运转，这个在某些设备，如链锯上就很重要。标准的四冲程发动机可能在油料晃动时候发生故障，除非是直立着的。解决这个问题就可以很大程度增加发动机的灵活性。这些优点使二冲程的发动机更加轻便，简易，制造成本更低廉。二冲程发动机另外还有将双倍的动力装进同一空间内的潜力，因为它每一回转就有双倍的动力冲程。轻便和双倍动力的结合使它与许多四冲程发动机相比具有更好的“ 推重比 ”。因此，本设计采用二冲程发动机为模板。3.2 汽缸数和布置方式的选择和同排量的多缸发动机相比，单缸发动机工作时只有一套机件在运转，因

35、此致使运动件的惯性力得不到抵消，所以振动较大。转速越高，振动越明显。还有，单缸发动机运动件的尺寸较大，不利于发动机提高转速，并且随着发动机的排量增加而更加明显。因此单缸发动机排量越大，升功率越小。 由于单缸发动机结构较简单，与同排量的多缸发动机相比，具有重量轻，结构尺寸小的特点，使用单缸发动机有利于减轻整车的重量，所以提高了整车的操控的灵活性。 因此本设计采用单缸，直列式。第四章 内燃机各零部件的设计建模4.1 活塞的设计建模4.1.1 活塞的设计（一）功用1. 与气缸盖气缸壁等共同组成燃烧室；2. 承受气体压力，并将此力传给连杆，以推动曲轴旋转。（二）材料：汽车发动机活塞广泛采用铝合金。其特

36、点为1. 质量小（约为铸铁活塞的50%70%）；2. 导热性好（约为铸铁的三倍）；3. 热膨胀系数大。（三）组成（如图4-1所示）根据其作用，活塞可分为顶部、环槽部、裙部和活塞销座四部分。 图4-1 活塞的组成1. 顶部形状为凸型。2. 裙部为拖板式，如图4-2。图4-2 拖板式活塞4.1.2 活塞的三维建模新建零件名为piston的零件，根据其结构图，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制piston模型。并通过如下图过程绘制出三维模型图（如图4-3）。图4-3 piston的三维模型4.1.3 活塞环的三维建模新建零件名为piston-ring的零件，根据其结构图，按图4-4绘制出活塞环的图

37、。 图4-4 piston-ring的三维模型4.1.4 活塞销的三维建模新建零件名为piston-pin的零件，根据其结构图，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制piston-pin模型。并通过如下图过程绘制出三维模型图（如图4-5）。图4-5 piston-pin的三维模型4.2 连杆的设计建模4.2.1连杆的设计要求连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接用以以传递运动和力的杆件。如在往复活塞式动力机械和压缩机当中，用连杆来连接活活塞与曲轴。连杆大多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或者工字形，两端有孔，孔内装有衬套或滚针轴承，以便装入轴销而构成铰接。连杆是发动机中的重要零件，它连接着活塞与

38、曲轴，其作用是将活塞的往复式运动转变为曲轴的旋转运动，并且把作用在活塞上的力传给曲轴从而输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃烧气体产生的压力外，还要承受纵向和横向惯性力。所以，连杆在一个较复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力，又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式有疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上三个高应力部位。连杆的工作条件要求连杆要有较高的强度和抗疲劳性能；还要求具有足够的钢性和韧性。传统连杆加工工艺中其材料多为采用45钢、40Cr或40MnB等调质刚，但现在国外所广泛采用的先进的连杆裂解的加工技术要求其脆性大，硬度较高，因此以德国的汽车企业生产的新型连杆材料如C70S6

39、高碳微合金非调质刚、SPLITASCO系列锻钢、FRACTIM锻钢和S53CV-FS锻钢等。合金钢虽具有很高的强度，但对应力的集中很敏感。所以在连杆外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量从而提高疲劳强度，不然高强度合金钢的应用并不能达到预期果。4.2.2 连杆的三维建模新建零件名为connecting-rod的零件，根据其结构，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制connecting-rod模型。并通过如下图过程绘制出三维模型，如图（4-6）图4-6 connecting-rod的三维模型4.3 曲轴的设计建模4.3.1曲轴的设计要求曲轴是引擎主要旋转几件，装上连杆以后，可以承接

40、连杆上的往复运动变成旋转运动。是发动机上的重要机件，它的材料是由碳素结构钢或者球墨铁制造的，有两个重要的部位，即主轴颈和连杆颈。主轴颈安装于缸体上，连杆颈与连杆大头相连接，连杆小头孔与气缸的活塞相连接，是一个曲柄滑块机构。曲轴的润滑主要指与摇臂间的轴瓦的润滑和两头固定点润滑。曲轴的旋转是发动机的动力源泉。也是整个机械系统的动力源。4.3.2 曲轴的三维建模新建零件名为crankshaft的零件，根据其结构，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制曲轴模型。并通过如下图过程绘制出三维模型，如图（4-7）。图4-7 crankshaft的三维模型4.4 飞轮的设计建模4.4.1飞轮的设计要求飞轮是发动

41、机安装在曲轴后端的较大的圆盘状的零件，具有较大的转动惯量，具有以下功能：1）.可以将发动机做功行程的部分能量储存起来，以便克服其他行程的阻力，使曲轴匀速选装。2）.还可以过安装在飞轮上的离合器，把发动机和传动系统连接起来。3）.装有与起动机结合的齿圈，便于发动机的启动。飞轮的材料一般用铸铁，如HT200 HT250；球铁,如QT450-10、QT600-3、QT500-7等等，国外也有用45号钢制作的飞轮。4.4.2飞轮的三维建模新建零件名为flywheel的零件，根据其结构，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制曲轴模型。并通过如下图过程绘制出三维模型，如图（4-8）。图4-8 flywhee

42、l的三维模型4.5 曲轴轴承的设计建模4.5.1曲轴轴承的设计要求曲轴的轴承一般为标准件。轴承可分为好多种，滚动轴承、向心轴承、球轴承、止推轴承等等。发动机曲轴轴承采用滚动轴承。曲轴轴承将曲轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少了摩擦损失。4.5.2曲轴轴承的三维建模新建零件名为eng-bearing的零件，根据其结构，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制曲轴模型。并通过如下图过程绘制出三维模型，如图（4-9）。图4-9 eng-bearing的三维模型4.6 曲轴箱的设计建模4.6.1曲轴箱前盖的三维建模新建零件名为eng-block-front的零件，根据其结构，使用拉伸材料和倒直角

43、和倒圆角特征绘制曲轴模型。并通过如下图过程绘制出三维模型，如图（4-10）和（4-11）。图4-10 eng-block-front的三维模型 图4-114.6.2 曲轴箱后盖的三维建模新建零件名为eng-block-rear的零件，根据其结构，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制曲轴模型。并通过如下图过程绘制出三维模型，如图（4-12）和（4-13）。图4-12eng-block-rear的三维模型 图4-134.7 发动机气缸的设计建模4.7.1发动机气缸的三维建模新建零件名为cylinder的零件，根据其结构，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制曲轴模型。并通过如下图过程绘制出三维模型，

44、如图（4-14）和（4-15）。图4-14 cylinder的三维模型 图4-154.8 螺栓的设计建模4.8.1气缸与曲轴箱连接螺栓的三维建模新建零件名为bolt的零件，按结构图，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制bolt模型。并通过如下图过程绘制出三维模型图（如图4-16）。图4-16 bolt的三维模型4.8.2曲轴箱螺栓的三维建模新建零件名为bolt的零件，按结构图，使用拉伸材料和倒直角和倒圆角特征绘制bolt模型。并通过如下图过程绘制出三维模型图（如图4-17）。图4-17 bolt的三维模型第五章 利用pro/e进行装配设计在PRO/E中，零件装配是通过定义参与装配的各零件之间的

45、装配约束来实现的，就是在各零件之间建立一定的连接关系，并对其相互位置进行约束，从而确定个零件在空间的相当位置关系。在PRO/E的装配模块中，可以将生成的零件通过相互关系之间的定位关系装配在一起，并检查零件之间是否有干涉及装配体的运动情况是否合乎设计要求。5.1 装配注意的事项Mechanism是Pro/E的运动仿真模块，它可以生成复杂机械系统的运动仿真和模拟运动过程。为了成功地在Mechanism中定义正确的连接和伺服驱动。充分理解其连接类型至关重要。当向一个装配体添加一个元件时，可通过各种“连接”将元件装配到装配体中。连接的类型包括剐性、销钉、滑动等，连接到装配体中的元件与装配体中其他的元件

46、间存在相对运动，运动的类型与选取的连接类型有关。每一种连接类型都与一组独立的几何约束相关联，这些约束与传统的Pro/E放置约束(对齐、旺配等)意义相同；而每一种连接类的约束都与指定的自由度相关联。例如，一个销钉接头有1个旋转自由度和0个平移自由度，这意味着使用销钉连接的物件将以相对于它所依附的元件旋转，但不能在该元件上移动和移开。表1-l将说明几种常用的连接类型。 连接的类型约束的自由度销钉元件可以绕轴旋转，具有1个旋转自由度，总自由度为1。圆柱比销钉约束少了一个平移约束，因此元件可绕轴旋转同时可沿轴向平移，具有1个旋转自由度和1个平移自由度，总自由度为2。滑动杆由一个轴对齐约束和一个旋转约束

47、(实际上就是一个与轴平行的平移约束)组成。元件可滑轴平移，具有1个平移自由度，总自由度为1。轴承元件可沿轴线平移并任意方向旋转，具有1个平移自由度和3个旋转自由度，总自由度为4。平面元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移，具有1个旋转自由度和2个平移自由度，总自由度为3。球元件上的一个点对齐到组件上的一个点，比轴承连接小了一个平移自由度，可以绕着对齐点任意旋转，具有3个入旋转自由度，总自由度为3。刚性如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被“粘”住，其原有自由度不起作用。总自由度为0。 表1-15.2 活塞的装配1）. 打开Pro/E软件，在“文件”下拉菜单

48、中点击“新建”，在新建菜单中点击“组建”，输入组建名称piston-assy，去掉缺省模板，点击“确定”，在新建文集选项对话框选择毫米牛顿秒，单击“确定”（如图5-1）。图5-12）. 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“piston”零件，单击“打开”，直接点击确定。3）. 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选“piston-ring”零件，单击“打开”，使用“匹配”约束进行装配，装配结束直接点击确定并完成装配（如图5-2）。图5-24）. 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选“piston-pin”零件，单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“匹配

49、”约束进行装配，直接点击确定并完成装配（如图5-3）。图5-35.3 曲轴飞轮的装配1）. 在“文件”下拉菜单中点击“新建”，在新建菜单中点击“组建”，输入组建名称“crank-assy”,去掉缺省模板，点击“确定”，在新建文集选项对话框选择毫米牛顿秒，单击“确定”（如图5-4）。图5-42）. 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“crankshaft”零件，单击“打开”，直接点击确定。3）. 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选“flywheel”零件，单击“打开”，使用“匹配”约束进行装配，直接点击确定并完成装配（如图5-5）。图5-55.4 总体的装配1）

50、. 在“文件”下拉菜单中点击“新建”，在新建菜单中点击“组建”，输入组建名称“engine”,去掉缺省模板，点击“确定”，在新建文集选项对话框选择毫米牛顿秒，单击“确定”（如图5-6）。图5-62）.单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“piston-assy”零件，单击“打开”，直接点击确定。3). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“conncting-rod”零件，单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“平移”约束进行装配，直接点击确定并完成装配（如图5-7）。图5-74). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“crank-assy”零件，

51、单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“平移”约束进行装配，再应用“元件拖动”对话框中的“定向两个面”，直接点击确定并完成装配（如图5-8）。图5-85). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“eng-bearing”零件，单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“匹配”约束进行装配，再应用“元件拖动”对话框中的“定向两个面”，直接点击确定并完成装配（如图5-9）。图5-96). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“eng-bearing”零件，单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“匹配”约束进行装配，再应用“元件拖动”对话框中的“定向两个面”，直接点击确定并完成装配（

52、如图5-10）。图5-10 7）. 单击“插入”“元件”“装配”， 在零件选取对话框中选择“eng-block-rear”零件，单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“匹配”约束进行装配，再应用“元件拖动”对话框中的“定向两个面”，直接点击确定并完成装配（如图5-11）。图5-118). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“eng-block-front”零件，单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“匹配”约束进行装配，再应用“元件拖动”对话框中的“定向两个面”，直接点击确定并完成装配（如图5-12）。图5-129). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“blot”

53、零件，单击“打开”， 在弹出的对话框中选“bolt-5-28”，点确定，并完成装配（如图5-13）。图5-1310). 重复上一步骤，完成全部螺栓的装配，如图（5-14）。图5-1411). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“cylinder”零件，单击“打开”，分别使用“轴对齐”和“匹配”约束进行装配，再应用“元件拖动”对话框中的“定向两个面”，直接点击确定并完成装配（如图5-15）。图5-1512). 单击“插入”“元件”“装配”，在零件选取对话框中选择“bolt”零件，单击“打开”，在弹出的对话框中选“bolt-5-15”确定并完成装配（如图5-16）。图5-1613

54、). 重复上一步骤，完成全部螺栓的装配，如图（5-17）。图5-1714）. 单击“视图”“分解”“分解视图”，调节合适角度，单击观看爆炸视图和装配模型树（如图5-18）。图5-1815）.装配完成后，为了便于查看内部运动，所以打开“外观编辑器”，对个别原件进行外观调节（如图5-19）.图 5-19在机械产品的设计过程中，大多数的产品是由多个单一零件组合而成的，当所有零件的三维模型创建完成之后，就可以将零件按一定的相互位置关系进行装配。通过对本章实例的设计，可以了解并掌握零件装配基本方法和一般流程，以及怎样建立装配体的分解爆炸图。 装配要点 ：(1) 装配体的产生：通过指定各零件之间的装配约束

55、关系建立装配体。(2) 装配体的编辑：在装配模式中进行零件的修改和对已定义的装配条件进行修改编辑。(3) 装配爆炸图：如何将装配件分离开来，生成爆炸图，以便更清楚地看到装配体中各零件的详细情况(尤其是内部的零件)。第六章 利用pro/e进行运动仿真分析6.1 机械仿真的作用和理念机械仿真技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发的，解决传统设计与制造过程憋端的高新技术。在机械仿真内，定义零部件间的连接关系，并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动的情况。它可

56、以在计算机上方便的修改设计的缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统进行不断的改进，直至获得最佳的设计方案以后，再做出物理样机。在传统的设计与制造过程当中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品的设计。机械仿真技术突破了传统设计与制造的限制，使得产品技术人员在各种虚拟环境中真实的模拟产品整体的运动及受力的情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统的优化设计方案。同时机械仿真可应用在整个设计过程的概念设计与方案论证当中，当虚拟样机用来代替物理样机验证设计的时候，不但可以缩短开发的周期，而且设计质量和效率都得到了提高。所谓机械仿真是指通过模拟零件模型实

57、际工作情况中机械的运动规律来验证所设计零件实体的可行性，它具有强大的机械测试性能，能够模拟真实的工作环境来评估零件模型结构特性、热学性能以及负荷分布情况和采用不同的材料对机械性能的影响等等，并且以此为依据对设计的零件模型进行优化来达到设计的要求。机械仿真技术包括机械设计、机械动态，在机械设计中可定义某个机构，使其移动，并分析它的运动。例如，可以在零件间创建连接以建立具有所需自由度的组件，然后应用电动机生成所要研究的运动的类型。同时机械仿真可以用来进行凸轮、槽的从动机构和齿轮扩展的设计。当准备好要分析运动的时候，可观察并记录分析，或者测量如位置、速度、加速度和力等参量，然后用图形表示这些测量，或

58、者创建轨迹曲线和运动包络，用物理方法描述运动。机械仿真可以按照以下步骤进行：1）.创建零件模型：使用各种特征实体工具创建所需的零件模型。2）.组装零件模型：使用装配命令组装零件模型。3）.运动仿真设置：按照零件的设计要求组装零件模型，生成连接。4）.仿真结果保存：对仿真的结果进行分析并保存预览结果。在PRO/E中，我们可通过对机构添加运动副、驱动器使其运动，以实现机构的运动仿真，而机构又是由构件组合而成，其中每个构件都以一定的方式与另一个构件相连接的，这种连接既使两个构件直接的接触，又使一个构件产生一定相对运动。整个装配仿真过程如图：总体设计建立运动模型设置运动环境分析运动机构获取分析结果建立

59、连接连接轴设置运动副伺服电机运动学动态静态力平衡重复组件重力执行电机弹簧阻尼力扭矩初始条件运动回放干涉检验运动包洛测量轨迹曲线图6-1 运动仿真流程图了解了运动仿真一般过程后，进入PRO/E的机构运动学分析模块，根据零件之间运动的关系，设置连接轴和定义伺服电机，以驱动模型运动，通过调试的运动定义捕获功能获取机构运动过程的图像，生成一个格式为MPG的文件。6.2 内燃机的仿真过程6.2.1 建立连接关系1）. 打开组建engine,点击“应用程序”“机构”进入仿真界面，观察各联接处是否正确（如图6-2）。图6-2 机构连接图2）. 点击工具栏中“重新连接”，在连接对话框中选择“crankshaf

60、t”为主体，单击“运行”，确认装配成功，点击“是”如图（6-3），再单击工具栏中“加亮主体”查看装配机构连接是否正确（如图6-4）。图6-3 锁定定义主体图图6-3 加亮主体图6.2.2 设置伺服电机伺服电动机提供机构所需运动的动力源，我们可直接将电动机设置在连接对的轴线上。提供元件平移或旋转所需要的动力。建立伺服电机，我们需要适合的速度，在本设计中，我只建立了一个伺服电动机，设置合理的速度和时间，使内燃机运动起来。1）. 点击“创建伺服电动机”图标，出现“伺服电动机定义”对话框（如图6-4）。图6-4 图6-52）. 在类型中选择“运动轴”，选取（如图6-5)中紫色运动轴。3）. 点击“轮廓

61、”图标，选择“速度”，在模数值A中输入速度值“7”，在“图形”对话框中全部勾选(如图6-6)。图6-64）. 点选“绘制图形”图标，生成速度、位置和加速度图形（如图6-7）。图6-76.3 机构的运动分析进行机构分析的首要工作是将零件或次组建装配在一起，以形成一个组件。当定义好元件之间连接条件，并且设置好电机后，就可以按主窗口右侧的“机构分析图标”进行机构分析。步骤如下：1）. 打开组建“engine”,进入机构仿真界面，点击“拖动元件”图标，在快照中使用“定向两个平面”约束定义组建初始位置，并拍下快照。2). 击“机构分析”图标，出现分析定义对话框，在分析定义对话框“名称”中输入“Analy

62、sisDefinition1”，“类型”中选择“位置”，将优先选项中“终止时间”设置为“10”，在初始配置中选择“快照Snapshot1”（如图6-8）。图6-83).点击“电动机”选项，合理设置电动机运动时间，点击“运行”观看仿真结果（如图6-9）。图6-96.4 机构分析结果的播放及录制在进行机构分析的过程中，Pro/E系统会将机构的运动状况以动画的方式呈现在屏幕上，但机构分析着重是机构运动的计算，而非机构运动的动态仿真，因此在完成的机构分析计算后，可以将机构分析的结果做无数次的播放，并可将机构运动仿真的画面录制为影片和让机构产生运动包络。步骤如下：1）.按主窗口右侧“回放分析结果”图标，会出现如图6-10所示的“回放”对话框，点击“播放目前的分析结果”出现“动画”对话框。图6-102）.点击“碰撞检测设置”，在该对话框中选中“全局碰撞检测”并确定（如图6-11）。图6-113）.点击“播放目前的分析结果”出现“动画”对话框，点击播放图标观看仿真结果（如图6-1