基于ProEngineer的气缸活塞设计.docx
《基于ProEngineer的气缸活塞设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ProEngineer的气缸活塞设计.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于ProEngineer的气缸活塞设计
学号：
24101901709
南湖学院
毕业论文（设计）
题目：
基于Pro/Engineer的
气缸活塞设计
作者
XXX
届别
XXX
系别
XXX
专业
XXX
指导老师
XXX
职称
XXX
完成时间
XXX
摘要
活塞连杆是机械行业中常见的曲柄滑块机构，应用该机构最典型的实例就是发动机气缸，它可以将燃气能源转换为机械动能，它的作用是承受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。
广泛应用到动力机械的动力源，如汽车、轮船、飞机等。
气缸中的活塞连杆机构是气缸中的一个非常重要的部分，其强度、刚度及运动学等性能对于气缸的性能和使用寿命有着非常重要的影响。
本设计具体研究方法及主要内容是使用Pro/ENGINEER软件仿照发动机气缸活塞连杆机构，绘制出活塞、连杆、及其他零部件实体图。
绘制好活塞连杆机构后，然后对设计进行仿真，最后对活塞连杆机构进行疲劳分析。
关键词：
虚拟样机；Pro/ENGINEER；活塞连杆；运动学；疲劳分析
Abstract
Thepistonrodisaslidercrankmechanismcommonmachineryindustryintheapplicationofthismechanism,themosttypicalexampleistheenginecylinder,itcanbeagasenergyisconvertedtomechanicalenergy,itsfunctionistobearthepressure,andthisforcepintoconnectingrodtodrivethecrankshaftthroughapiston.Widelyappliedtothepowersourcepowermachinery,suchasautomobiles,ships,aircraft,etc..Pistonlinkagemechanisminthecylinderisaveryimportantpartofthecylinder,thestrength,stiffnessandkinematicpropertieshaveveryimportanteffectontheperformanceandservicelifeofthecylinder.ThespecificresearchmethodsandmaincontentofthisdesignistousethePro/ENGINEERsoftwaretoimitatetheenginecylinderpistonrodmechanism,drawoutthepiston,connectingrod,andtheotherpartsoftheentitydiagram.Drawgoodpistonandconnectingrodmechanism,andcarriedonthesimulationtothedesign,attheendofthepistonandconnectingrodmechanismisfatigueanalysis.
Keywords:
virtualprototype,pro/ENGINEER,thepistonrod,Kinematics,fatigueanalysis
第一章绪论
1.1引言
产品的开发过程中,有关产品的结构、功能、操作性能、生产工艺、装配性能，甚至维护性能等等许多问题都需要在开发过程的前期解决。
一般，人们借助理论分析、CAD和各种比例的实物模型，或参考前期产品的开发经验来解决有关新产品开发的各种问题。
由于有关装配、操作和维修的问题往往只会在产品的后期或在最终产品试制过程中、甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，尤其是有关维修的问题往往是在产品已经售出很长时间以后才被发现[1]。
为了解决这些问题，虚拟仿真技术应运而生。
仿真技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进行全面的建模和仿真，包括产品的设计、加工、装配、各参数的设计改进等等。
在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和设计合理性，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产，缩短产品研制周期，获得最好的产品质量和效益。
在Pro/E环境下，对活塞连杆机构建立了精确的参数化模型。
通过定义各种约束，在装配模块中确定了原动件与从动件的关系。
并使用机构运动分析模块，通过定义机构的连接与伺服电机，实现了活塞的运动过程仿真。
参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数，参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。
虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配虚拟装配可帮助产品摆脱对于试制物理样机并装配物理样机的依赖，可以有效地提高产品装配建模的质量与速度。
通过在计算机软件平台下对整套装置的设计仿真分析，能够及时地发现设计中的缺陷，并根据分析结果进行实时改进。
参数化建模、虚拟装配、运动仿真贯穿于整个计算机辅助设计全过程，可显著地缩短研发周期，降低设计成本，提高工作效率。
本次建模与运动仿真分析实现了活塞摇杆的电子样机设计，对现实发动机制造过程有一定的指导意义[2]。
为了提高发动机各零部件设计的成功率、减少研发成本,在概念设计阶段采用有限元方法对设计方案进行各项指标的校核,已经
成为发动机研发过程中必不可少的环节。
连杆是发动机中传递动力的重要部件之一,其作用是把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,并把作用在活塞上的燃气压力传递给曲轴。
发动机运行过程中,连杆主要承受拉、压及惯性力等各种载荷。
设计过程中为使连杆能够承受活塞传来的巨大冲击,连杆必须具有足够的刚度和强度,但这又会使惯性载荷过大,以致影响发动机的平衡性和可靠性。
为了解决这对矛盾,就必须设计出强度、刚度以及轻量化等指标都满足要求的连杆[3]。
因此需要对气缸中的活塞零件进行疲劳分析，依据其使用过程中的特性要求，根据其工作过程中的运动特点，研究活塞零件在外载下的疲劳特性。
对活塞的截面形状、几何尺寸进行参数分析，研究活塞的截面尺寸中哪些尺寸对活塞零件的疲劳性能影响最大。
由于连杆承受的载荷复杂,连杆的有限元计算通常需要对模型进行简化。
模型简化需要一定的技巧,不当的简化会影响求解的精度。
此外,计算结果的评价也很重要,如果没有合适的评价方法,即使计算的数据完全正确也不会对设计起指导作用。
1.2国内外研究现状及发展趋势
当今任何一个国家，若其要在综合国力上取得优势地位，就必须在科学技术上取得优势。
九十年代以来，随着以计算机技术为主的信息技术的发展，世界经济格局发生了巨大的变化，逐步形成了一个统一的一体化市场，经济循环加大，加快市场竞争日趋激烈，从而也迫切要求对产品设计的研究能有进一步的突破，为了缩短产品的设计周期、提高生产的质量、降低生产成本，就需要在产品的设计阶段进行预测。
计算机辅助设计，将难以用语言表达的复杂的机械结构，应用多媒体技术以多样化的方式表现的屏幕上，达到了以直观和形象的形式学习机械设计知识的目的。
CAD技术的发展，它的性能提高，价格降低，于是pro/e迅速在全世界推广开来，其作用越来越明显。
近几年来，随着计算机技术的飞速发展，pro/e技术已经由发达国家向发展中国家扩展，而且发展的势头非常迅猛。
因为当今世界工业产品的市场竞争，归根结底是设计手段和设计水平的竞争。
国家逐步认识到开展pro/e应用工程的必要性和可靠性，并在全国各个行业大力推广pro/e技术，同时展开pro/e技术的不断研究，开发与广泛应用，对pro/e技术提出越来越高的要求，因此pro/e从本身技术的发展来看，其发展趋势是集成化、智能化和标准化,也只有不断完善，创新才能在日益激烈的竞争中立于不败之地。
1.3问题的提出
本设计具体研究方法及主要内容是使用Pro/ENGINEER软件仿照发动机气缸活塞连杆机构，绘制出活塞、连杆、及其他零部件实体图。
绘制好活塞连杆机构后，然后对设计进行仿真，包括运动干涉检测、活塞运动轨迹、速度及加速度的检测。
最后对活塞连杆机构进行疲劳分析。
本设计主要对气缸中的活塞零件进行疲劳分析，依据其使用过程中的特性要求，根据其工作过程中的运动特点，研究活塞零件在外载下的疲劳特性。
对活塞的截面形状、几何尺寸进行参数分析，研究活塞的截面尺寸中哪些尺寸对活塞零件的疲劳性能影响最大。
第二章机构简介
2.1活塞连杆机构的基本构造
活塞连杆组是发动机的传动件，它把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力。
活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销及连杆等组成。
活塞连杆组把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力；活塞的顶部还与汽缸盖、汽缸比共同组成燃烧室。
2.2活塞的作用
它把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力；活塞的顶部还与汽缸盖、汽缸比共同组成燃烧室。
活塞的顶部直接与高温燃气接触，活塞的温度也很高，高温使活塞的机械性能下降，热膨胀量增加；活塞在作功行程中，承受燃气的高压冲击（3~5mP），活塞在汽缸中高速运动，平均速度达到8~12m/s，要求活塞质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨。
一般采用铝合金，个别柴油机也采用高级铸铁或耐热钢。
2.3活塞的组成
活塞主要由顶部、头部和裙部组成。
2.3.1活塞顶部
活塞头部的形状与选用燃烧室有关。
汽油机活塞的头部一般采用平顶，其优点是吸热面积小，制造工艺简单。
有些为了改变混合汽形成而采用凹顶，凹坑的大小还可以调节发动机压缩比。
2.3.2活塞的头部
活塞头部是活塞环槽以上部分。
其作用有三：
承受气体压力，并传给连杆；与活塞一起实现汽缸密封；将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传给汽缸比。
头部切有如干道环槽用以安装活塞环，汽油机一般有2~3到环槽，上面1~2道用于气环，下面一道用于安装油环。
油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环所刮下来的多余的机油，经过小孔流回油底壳。
2.3.3活塞裙部
活塞裙部是指自油环槽下端面起至活塞底面的部分。
其作用是为活塞在气缸内做往复运动导向何承受侧压力。
活塞工作时，燃烧气体压力作用在活塞的顶部，而活塞销反力作用在头部的销座孔处，由此产生的变形是群部直径沿活塞销座轴线方向增大（受力变形）。
侧压力N的使活塞群部变形；活塞销座孔附近的金属堆，受热膨胀量大，致使裙部在受热变形时，活塞销座孔方向的膨胀量大，群部是椭圆。
为了保证在冷态的情况下活塞于气缸比的接触，在活塞群部有开槽。
由于活塞沿轴线受热和质量分布不均匀，上大下小，所以活塞作成一个上大下小的近似圆锥形。
2.3.4活塞销座孔
活塞销座孔是将活塞顶部气体作用力经活塞销传给连杆。
销座孔通常有肋片与活塞内避相连，以提高其刚度。
销座孔内有安装弹性卡环的卡环槽，卡环用来防止活塞销在工作中发生轴向串动。
2.4活塞环
活塞环是燃油发动机内部的核心部件，它和汽缸，活塞，汽缸壁等一起完成燃油气体的密封。
2.4.1气环
气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止高温高压燃气进入曲轴箱；同时还将活塞顶部的大部分热量传导给气缸，再由冷却水或空气带走。
活塞环工作时受到气缸中气体的高温高压作用，其温度较高，而且在气缸中高速运动，加上机油高温变质，润滑条件变坏，其磨损严重。
活塞环磨损失效后，发动机出现启动困难、功率不足、曲轴箱压力升高、机油损耗量大、排气冒黑烟，活塞边面积碳严重。
由于气缸的磨损不均匀性，使其变成锥度和椭圆性，活塞在其中往复运动，沿颈项产生一张一缩的运动，使环受弯曲应力而容易折断，造成发动机卡死，拉缸、发动机不工作。
活塞环一般是用合金铸铁铸造的。
第一道气环的工作表面一般镀有多孔铬。
（多孔铬的硬度高，能储存少量的机油），其它一般镀锡或磷化，改栓磨合性能。
活塞环上有一切口，且自由状态不是圆形，其尺寸比气缸的内径大，所以它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴气缸比，使燃气不能通过环与气缸比的接触面的间隙。
切口一般是0.25~0.8mm。
2.4.2油环
油环主要是刮油、布油和辅助密封作用。
油环用来刮除气缸比上多余的机油，并在气缸比上铺涂一层均匀机油膜，这样即可以防止机油串入，又可以减小活塞与气缸的磨损与摩擦阻力。
油环分为普通油环和组合油环。
普通油环一般是由铸铁作成的，其外圆中间切有一道凹槽，在凹槽的底部加工有许多排油孔。
组合油环由刮油片和两个弹性寸环组合而成的。
轴向寸环夹装在第二第三刮油片之间。
2.5活塞销
活塞销的作用是连接活塞与连杆小端，将活塞承受的气体的作用力传递给连杆。
活塞销为中空的圆柱体，一般采用低碳钢、低碳合金钢渗碳淬火或用45号中碳钢高频淬火。
根据活塞销的固定方式的不同，可分为全浮式或半浮式两种。
全浮式活塞销是指活塞销既不固定于活塞销座，又不固定于连杆小头，热态二者均为间隙配合，冷态为过度配合。
只在销子两端的活塞销座孔中的卡环槽中装两只卡环，防止销子滑出。
磨损均匀，磨损量小，弯曲变形量小。
2.6连杆
2.6.1作用
将活塞承受的力传给曲轴，从而使活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。
连杆承受活塞销传来得气体的作用力以及本身摆动和活塞组往复运动时的惯性力，这些力的大小和方向都是周期性变化的，因此，连杆受到的是压缩、拉升和弯曲等较边载荷。
2.6.2组成
连杆一般由小头、杆身和大头三部分组成的。
连杆一般中碳钢或合金钢弹压而成。
连杆小端与活塞销相连，工作时与销之间有相对运动，小头孔中有寸套（青铜）。
在连杆的小端和寸套上钻有小孔（油道），用来润滑小端和活塞销。
连杆杆身通常作成工字型断面，以求增加其强度和刚度。
在其中间油润滑油道。
连杆大头与曲轴的曲柄销相连，大头一般作剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，接特制的连杆螺栓紧固在连杆的大头上。
连杆盖与连杆大头是组合搪孔，为了防止装配错误，在同一侧有配对记号。
大头孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦紧密贴和。
连杆大头还铣有定位坑，连杆的大端还有有孔。
连杆大头按剖分面可分为平切口和斜切口两种。
一般汽油机连杆大头的直径小于气缸的直径，采用平切口；柴油机受力大，其大头直径较大，超过气缸的直径，采用斜切口，一般与连杆轴线成30~60℃夹角。
连杆螺栓是经常受交变应力作用的重要零件，安装时，必须牢固可靠，要符合工厂规定的拧紧力矩，分2~3次拧紧。
2.7工作原理
活塞的顶部直接与高温燃气接触，活塞的温度也很高，高温使活塞的机械性能下降，热膨胀量增加；活塞在作功行程中，承受燃气的高压冲击（3~5mP），活塞在汽缸中高速运动，平均速度达到8~12m/s，要求活塞质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨。
一般采用铝合金，个别柴油机也采用高级铸铁或耐热钢。
第三章Pro/E的装配与运动仿真
3.1Pro/E简介
Pro-E是Pro/Engineer的简称，更常用的简称是ProE或Pro/E，Pro/E是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。
pro-e作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的模具和产品设计三维CAD/CAM软件之一。
Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。
Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。
它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。
Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
3.1.1参数化设计
相对于产品而言，可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
3.1.2基于特征建模
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如系列化快餐托盘设计腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活，特别是在设计系列化产品上更是有得天独到的优势。
3.1.3单一数据库
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换句话说，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
3.1.4直观装配管理
Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，这些直观的命令对支持大型复杂装配体的构造和管理很有帮助。
3.1.5易于使用
菜单以直观的方式联级出现，提供了一个合理的选择和预先选定的最常用的选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
3.2装配
（1）装配输出轴
选择菜单栏的【文件】→【设置工作目录】,系统弹出“选取工作目录”对话框，选择活塞零件图所在文件夹，单击【确定】按钮，完成工作目录的设置。
选择菜单栏的【文件】→【新建命令】，系统弹出【新建】对话框，点选【组件】，取消【使用缺省模版】的选择，单击【确定】按钮，系统弹出新文件选项对话框，如图1.1所示
图1.1新建
单击【确定】按钮，选择mmns-asm-design,单击【确定】，进入装配设计模块。
（2）.创建骨架模块
单击【创建按钮】，系统弹出元件创建对话框，如图1.2所示
图1.2元件创建
在“元件创建”对话框中，单选【骨架模型】，单击【确定】，系统弹出“创建”选项，单击【空】，单击【确定】，进入元件创建。
单击工具栏【轴】按钮，系统弹出“基准轴”对话框，如图1.3。
双选FRONT.RIGHT两个基准面作为参照面，所创建的基准轴穿过两个参照面，单击【确定】，创建基准轴完成。
（3）.装配输出轴
选择菜单栏的【窗口】→【激活】，激活现在装配模块。
单击【装配】，系统弹出“打开”对话框，选择元件prt0005，单击【打开】，轴就添加在组件模块中了。
选择【将约束转化为机构连接】中的“销钉”，单击【放置】，单击【轴对齐】，在3D模型中选择底座轴线和输出轴的轴线，单击【平移】，在3D模型中选择曲柄的侧面和底座的内侧面。
。
在【状态】框中显示“完成连接定义”，单击【完成】。
如图1.3所示。
图1.3装配输出轴
（4）.装配连杆
单击【装配】，系统弹出“打开”，选择元件prt0004.单击【打开】，连杆就添加在组件模块中了。
选中【将约束转化为机构连接】中的“销钉”，单击【放置】，单击【轴对齐】，在3D模型中选择输出轴的轴线和连杆空轴线，单击【平移】，在3D模型中选择输出轴曲柄侧面和连杆外侧面。
如图1.4所示。
图1.4装配
（5）.装配活塞
选择菜单栏的【窗口】→【激活】，激活现在装配模块。
单击工具栏【装配】，系统弹出“打开”对话框，选择元件prt001,单击【打开】，就将活塞添加到当前模块了。
图1.5装配活塞
（6）.装配外壳
如图1.6所示。
图1.6装配外壳
（4）.装配底座
单击【装配】，系统弹出“打开”对话框，选择元件prt006，单击【打开】，底座就添加在组件模块中了。
选择【将约束转化为机构连接】中的“用户定义”，单击【放置】，在3D模型中选择底座的基准面和组件的基准面，然后在将其他两个基准面进行约束。
在【状态】框中显示“完成连接定义”，单击【完成】。
如图1.7所示。
图1.7装配底座
装配完成。
3.3运动仿真及分析
运动分析对活塞连杆机构进行运动仿真,可以进一步分析其运动是否合理结构是否发生运动干涉等信息.
（1）.添加伺服电机
选择菜单栏的【应用程序】→【机构】，系统进入机构平台。
单击【伺服电动机】，系统弹出“伺服电动机”对话框，如图2.1所示
图2.1添加伺服电机
点选【从动图元】的【运动轴】，单击【选取】，选取旋转轴。
在伺服电动机定义中，单击【轮廓】，选择【规范】中的“速度”，选择【模】中的“常数”，在【A】框中输入50，单击【确定】。
完成伺服电动机的创建。
注：
速度为50mm/s。
（2）.自由度分析
单击【机构分析】，系统弹出“分析定义”对话框，如图2.2所示。
图2.2自由度分析
选择【类型】中的“力平衡”，单击自由度中的【DOF】右边的按钮，在文本框中显示的数即为自由度。
如果没有伺服电动机，自由度则为1。
（3）.动画
单击【机构分析】，系统弹出“分析定义”对话框，选择【类型】中的“运动学”，在【终止时间】框中输入50.注：
给定时间为50秒。
单击【运行】，模型就开始运动。
如图2.3所示。
图2.3动画（生成的视频文件截图）
（4）.运动包络
单击【回放】，系统弹出“回放”对话框。
单击【创建运动包络】，系统弹出“创建运动包络”对话框，单击【读取元件】中的【选取】，在3D模型中选择连杆，单击【预览】。
（5）.分析测量结果
单击【测量】，系统弹出“测量结果”对话框，单击【创建新测量】，系统弹出“测量定义”对话框。
在“测量定义”对话框中，选择【类型】中的“位置”，单击【点或运动轴】中的【选取】，在3d模型中选择活塞的孔轴线，在“测量定义”对话中【测量】中的“measure1”,选中【结果集】中“analysisdefinition3”选项，单击【检测选定结果集所选测量的图形】，系统弹出图形工具对话框。
如图框中，单击【确定】，返回“测量结果”对话框，如图2.4所示。
图2.4测量结果
点“测量”即生成位移曲线。
同时可生成速度和加速度曲线。
如图2.5、2.6、2.7所示。
图2.5活塞位移曲线（X-时间，Y-活塞位移）
分析：
该图为活塞位移曲线图。
活塞顶端为零点，以-90处为中心点，活塞从初始值为-86.9928处开始运动做往复运动，经过50秒在-93.0072处结束运动。
可以看出，活塞的总位移成余弦规律，位移图比较平稳。
图2.6活塞速度曲线（X-时间，Y-活塞速度）
分析：
该图为活塞速度曲线图。
活塞由最下端以速度为13.0607mm/s开始向上做减速运动，后由0开始做加速运动，由此反复运动，50秒后到最下端结束运动。
可以看出，活塞的速度曲线成余弦规律，具有周期性变化规律。
图2.7活塞加速度曲线（X-时间，Y-活塞加速度）
分析：
该图为活塞加速度曲线图。
加速度代表活塞的速度快慢的变化.它是速度的导数，因此权限与速度曲线的变化规律基本一致，可以看出,活塞的加速度曲线成正弦规律.仍然具有周期性变化规律。
.
图2.8位移、速度、加速度合图
分析：
由活
升级会员 