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第1章绪论

虚拟样机技术是上世纪80年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。它是建立在计算机上的原型系统或子系统模型,它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。虚拟样机设计环境是模型、仿真和仿真者的一个集合,它主要用于引导产品从思想到样机的设计,强调子系统的优化与组合,而不是实际的硬件系统。从国内外对虚拟样机技术的研究可以看出,虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段,在不同应用领域中存在不同定义。
虚拟样机技术不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设计理念。与传统的仿真分析相比,传统的仿真是针对单个子系统的仿真,而虚拟样机技术则是强调整体的优化,它通过虚拟整机与虚拟环境的融合,对产品多种设计方案进行测试、评估,并不断改进设计方案,直到获得最优的整机性能。另一方面,传统的产品设计方法是一个串行的过程,各子系统的设计都是独立的,忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解,因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现,造成严重浪费。运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机,实现产品的并行设计,可在产品设计初期及时发现问题、解决问题,把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动[10]。
虚拟样机技术的应用范围
虚拟样机技术已被广泛应用在航空航天、汽车制造、工程机械、铁道、造船、军事装备、机械电子,以及娱乐设备等各个领域。虚拟样机技术在工程机械领域可应用的方面有:履带式和轮式车辆稳定性、操作性能研究,液压系统、牵引设备性能预测,推土机、挖掘机、林业机械等动态性能研究,零部件和发动机载荷预测与尺寸确定,驾驶员视野研究,预测挖掘机所需要的功率,工作效率研究,可靠性分析等。
设计研究的主要内容
对内燃机运行过程中曲柄连杆机构受力分析进行深入研究,其主要的研究内容有:
(1)对曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析,分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况,并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零
部件进行强度、刚度等方面的计算和校核,以便达到设计要求;
(2)分析曲柄连杆机构中主要零部件如活塞、曲轴、连杆等的工作条件和设计要求,进行合理选材,确定出主要的结构尺寸,并进行相应的尺寸检验校核,以符合零件实际加工的要求;
(3)应用UG软件对曲柄连杆机构的零件分别建立实体模型,并将其分别组装成活塞组件,连杆组件,然后定义相应的连接关系,最后装配成完整的机构,并进行运动仿真。
(4)应用UG软件将零件模型图转化为相应的工程图,并结合使用AutoCAD软件,系统地反应各类信息,以便实现对机构的进一步精确设计和检验。

曲柄连杆机构是发动机的传递运动和动力的机构,通过它把活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动并输出动力。通过设计,确定发动机曲柄连杆机构的总体结构和零部件结构,包括必要的结构尺寸确定、运动学和动力学分析、材料的选取等,以满足实际生产的需要。
为了真实全面地了解机构在实际运行工况下的运动特性,本文采用了仿真技术,针对机构可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态,便于进行精确计算,对进一步研究发动机的平衡与振动、发动机增压的改造等均有较为实用的应用价值。
第2章曲柄连杆机构受力分析
研究曲柄连杆机构的受力,关键在于分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况,并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计,以便达到发动机输出转矩及转速的要求。
曲柄连杆机构的类型及方案选择
内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多,按运动学观点可分为三类,即:中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。
1、中心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心,并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机,采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机,以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。
2、偏心曲柄连杆机构
其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线,但不通过曲轴的回转中心,气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e。这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力,使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。
3、主副连杆式曲柄连杆机构
其特点是内燃机的一列气缸用主连杆,其它各列气缸则用副连杆,这些连杆的下端不是直接接在曲柄销上,而是通过副连杆销装在主连杆的大头上,形成了“关节式”运动,所以这种机构有时也称为“关节曲柄连杆机构”。在关节曲柄连杆机构中,一个曲柄可以同时带动几套副连杆和活塞,这种结构可使内燃机