终结版正文

中国矿业大学银川学院毕业设计(论文)

1 前言

随着汽车工业制造技术的发展，对于汽车发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要。因此，国内外各大汽车公司对发动机连杆的材料及制造技术的研究都非常重视。“小体积、大功率、低油耗”的高性能发动机对连杆提出更新、更高的要求：

(1)作为高速运动件重量要轻，减小惯性力，降低能耗和噪声； (2)强度、刚度要高，并且要有较高的韧性；

这就意味着对连杆的设计和加工有着更高的要求。其一，杆身有足够的刚度可以预防工作时发生弯曲变形；其二，连杆的大端和连杆盖有足够的刚度，以防大端变形时连杆螺栓承受附加的弯曲应力和大端失圆，使轴承润滑破坏。同时，还要求连杆组具有足够的疲劳强度和冲击韧性。[3]

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2 连杆机构

2.1 连杆机构的特点

连杆机构具有以下传送特点:

1.连杆机构中的运动副一般均为低副（故又称其为低副机构，lower pair mechanism）。其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。 2.在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。

3.在连杆机构中，连杆上的各点的轨迹是各种不同形状的曲线(称为连杆曲线，coupler-pointcurve)，其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式多样，可用来满足一些特定工作的需要。

利用连杆机构还可很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。

连杆机构也存在如下一些缺点：

1.由于连杆机构的运动必须经过中间构件进行传递，因而传动路线较长，易产生较大的误差累计，同时也使机械效率降低。

2.在连杆机构运动中，连杆及滑块所产生的惯性力难以用一般平衡方法加以消除，因而连杆机构不宜用于高速运动。

此外，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地满足。[5]

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2.2 连杆设计制造的现状与特点

随着汽车、船舶等工业制造技术的发展，对于发动机的动力性能及可靠性要求越来越高，而连杆的强度、刚度对提高发动机的动力性及可靠性至关重要，因此国内外各大发动机研制公司对发动机连杆用材料及制造技术的研究都非常重视。

目前，碳素钢和合金钢连杆、非调质钢连杆、粉末冶金连杆、钛合金连杆等都有很广泛的应用，但在力学性能、生产成本等各个方面又各有优劣。非调质钢由于其材料的成本不高，作为一种廉价的节能钢种，非调质钢正在逐步地取代调质钢，国外几乎完全采用非调质钢生产连杆。随着发动机轻量化的要求，连杆的设计应力提高，中碳锰钒系列非调质钢的强度无法满足要求，目前德国在该钢种的基础上开发了强度级别更高的钢种，正在推广应用。粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著，一般认为粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比，材料可节约40%，生产成本可降低10%，能源消耗可节；但前些年由于金属粉末的种类极少，又受到成本的限制，发展不快。钛合金连杆可大幅度地降低连杆的质量，但金属钛的抗拉强度比较低。

由于我国的钛合金连杆、纤维强化铝合金连杆、粉末冶金锻造连杆的研究才刚刚起步。虽然连杆加工本身所包括的工艺内容并不复杂，但由于材质、外形尺寸以及要求的加工精度，经常给加工带来不少困难。锻造毛坯的精度及刚性差、孔加工的精度低、连续带状切屑的断屑、平面加工的毛刺、因夹压和内应力的重新分布而产生的几何变形等，是加工工艺长期以来需要研究和解决的主要技术问题。所以，连杆的工艺设计只有通过现场的不断改善，才能最终达到设计的目标。

高强度，轻量化，低成本是汽车发动机连杆用材料的发展趋势，我国的发动机锻钢连杆制造与国外差距不大，但在连杆轻量化方面还相当落后；在调质钢应用方面与国外差距不大，但在锻造技术方面与国外比有一些差距。国外连杆毛坯的加热

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大多采用电加热或感应加热；国内多数厂家采用空气锤制，蒸汽锤成形。

连杆的计算分析在早期多采用经验公式，有限元理论和方法提出以后，迅速在连杆分析上得到广泛应用。近年来，对平面连杆机构的研究，不论从研究范围上还是方法上都有了很大发展。对多杆多自由度平面连杆机构的研究，也提出了一些有关的分析及综合的方法。同时，在设计要求上也已不再局限于运动学要求，而是同时要求兼顾机构的动力学特性。特别是对于高速机械，考虑构件弹性变形的运动弹性动力学（KED）已得到很快的发展。在研究方法上，优化方法和计算机辅助设计的应用已成为研究连杆机构的重要方法，并已相应的编制出大量的、适用范围广、计算机时少、使用方便的通用软件。随着计算机的发展和现代数学工具的日益完善，以前不能解决的复杂平面连杆机构的设计问题正在逐步得到解决。[2]

2.3 连杆机构的应用

连杆机构应用十分广泛，它不仅在众多工农业机械和工程中得到广泛应用，而且诸

如调整雷达天线俯仰角大小的连杆机构、铸造车间振实式造型机工作台的翻转机构、折叠伞的收放机构以及人体假肢等等，也都用到连杆机构。 如图2-1所示的鹤式起重机构，保证货物水平移动。

如图2-2所示的汽车前轮转向机构。车子转弯时，与前轮轴固定的两个摇杆的摆角不相等，如果在任意位置都能使两前轮的轴线的交点P落在后轮轴线的延长线上，则当整个车子转向时，保证四个轮子都是纯滚动，从而可以避免轮胎因滑动而产生过大磨损。

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图2-2 汽车前轮转向机构 2—1鹤式起重机 5

图

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（8）

下面介绍再现函数为 先变换给定函数为选取输入构件的转角为

的曲柄摇杆机构的优化设计。

，并设输人构件初始角为,输出构件的转角为

，输出构件初始角为

转到

，

。当输入构件从

时，输出构件从转到，输入构件从转到时，输出构件则从

回到

数式

。显然有

得：

及，即及。代入函

设将输入构件的转角

，再令

杆机构优化目标函数为

均分成20等分，则代表设计变量、

、

及

，取权因子

，则由式（5）得曲柄连

曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下： 由式（6）得：

要求传动角满足

，由式（7）得：

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根据机构结构尺寸，要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内，由式(8)得

因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下： Min.

s.t.

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4.2黄金分割法优化设计

4.2.1 黄金分割法基本思路：

黄金分割法适用于[a，b]区间上的任何单股函数求极小值问题，对函数除要求

“单谷”外不做其他要求，甚至可以不连续。因此，这种方法的适应面非常广。黄金分割法也是建立在区间消去法原理基础上的试探方法，即在搜索区间[a，b]内适当插入两点a1，a2，并计算其函数值。a1，a2将区间分成三段，应用函数的单谷性质，通过函数值大小的比较，删去其中一段，是搜索区间得以缩小。然后再在保留下来的区间上作同样的处理，如此迭代下去，是搜索区间无限缩小，从而得到极小点的数值近似解。[6]

4.2.2 黄金分割法的基本原理

一维搜索是解函数极小值的方法之一，其解法思想为沿某一已知方向求目标函

数的极小值点。一维搜索的解法很多，这里主要采用黄金分割法（0.618法）。该方法用不变的区间缩短率0.618代替斐波那契法每次不同的缩短率，从而可以看成是斐波那契法的近似，实现起来比较容易，也易于人们所接受。

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图4-2 黄金分割法原理 黄金分割法是用于一元函数f(x)在给定初始区间[a,b]内搜索极小点α*的一种方法。它是优化计算中的经典算法，以算法简单、收敛速度均匀、效果较好而著称，是许多优化算法的基础，但它只适用于一维区间上的凸函数，即只在单峰区间内才能进行一维寻优，其收敛效率较低。其基本原理是：依照“去劣存优”原则、对称原则、以及等比收缩原则来逐步缩小搜索区间。具体步骤是：在区间[a,b]内取点：a1 ，a2 把[a,b]分为三段。如果f(a1)>f(a2)，令a=a1,a1=a2,a2=a+r*(b-a)；如果f(a1)

(y1-y2)/y2｜都大于收敛精度ε重新开始。因为[a,b]为单峰区间，这样每次可将搜索区间缩小0.618倍或0.382倍，处理后的区间都将包含极小点的区间缩小，然后在保留下来的区间上作同样的处理，如此迭代下去，将使搜索区[a,b]逐步缩小，直到满足预先给定的精度时，即获得一维优化问题的近似最优解。黄金分割法原理如图所示.

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4.2.3 程序流程

图4-3 黄金分割法程序流程

4.2.4 优化所编程序框图

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参考文献

[1]孙恒,陈作模.机械原理[M]第7版.高等教育出版社. [2]李建功.机械设计[M]第4版.机械工业出版. [3]苏春.计算机辅助设计[M]第1版.机械工业出版社. [4]杨巍,何晓玲.机械原理[M]机械工业出版社.2010. [5]孙靖民.机械优化设计[M]机械工业出版社.1990.

[6]安培文.平面连杆机构的过约束及自调结构的分析与设计研究[M]. [7]曹惟庆.连杆机构的分析与综合[M].北京.科学出版社.2003.

[8]李哲.考虑运动副间隙和构件弹性的平面连杆机构动力学研究[M].北京工业大学.1991. [9]杨延力.机械系统基本原理[M].北京:机械工业出版社.1996.

[10]张策,黄永强等著.弹性连杆机构的分析与设计[M]第2版.北京：机械工业出版社.1997. [11]阿瑟.G厄尔德曼等著,庄细荣等译，机构设计——分析与综合（第一卷），高等教育出版社，1993.

[12]阿瑟.G厄尔德曼等著，庄细荣等译，机构设计——分析与综合（第二卷），高等教育出版社，1993.

[13]Hua dan ian. Hongzhi linkage design and application of innovation [M]. Machinery Industry Press, .2008.

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