柴油机可变压缩比机构毕业设计

1、 目 录摘要2Abstract31 绪论41.1 可变压缩比概念41.2 国内外的研究现状51.3 可变压缩比的优点61.4 本文研究主要内容82 机构设计92.1 可变压缩比实现方案及优缺点92.2 可变压缩比机构选择和确定122.3 可变压缩比机构设计133 主要零部件设计143.1 上连杆设计143.2 下连杆设计153.3 连杆销设计164 机构校核174.1 机构运动轨迹验算174.2 连杆销校核185 结论与展望295.1 结论295.2 展望30总结与体会31谢辞32参考文献33S195柴油机改可变压缩比机构设计摘 要近年来，可变压缩比技术和可变配气机构得到了迅猛的发展，可变压缩

2、比(VCR)对汽车的节能减排有重要作用,是改善汽车动力性、经济性及排放性能的重要技术之一。本文从理论上分析了可变压缩比在汽车上应用的必要性,介绍了可变压缩比技术的意义、优点、国内外研究现状，以及几类可实现可变压缩比的方法。本文研究了一款多连杆单缸发动机，在原机模型上设计了一套可变压缩比机构，相对原机来说，新机可以实现压缩比的连续可调。在本文中，还对这套机构进行了绘制，对主要零部件尺寸进行了设计，保证该机构的压缩比可变，并对机构各杆之间的运动关系进行了验算，保证几个连杆之间运动不会发生干涉现象，并利用ANSYS14.0的Workbench平台对连杆销进行校核，经校核，连杆销的尺寸设计和选材方面满

3、足连杆销的工作要求。关键词：可变压缩比（VCR）、多连杆、机构设计、校核。Design of a multi-link variable compression ratio mechanism for S195 diesel engineAbstractIn recent years, variable compression ratio (VCR) and variable valve mechanism developed rapidly. Variable compression ratio (VCR) is an important role for car to saving ene

4、rgy, which is one of important technologies to improve vehicle power, economy and emissions performance. This paper analyzed the necessity of variable compression ratio on the vehicle, and introduced the meaning of technology, advantage, research status of the variable compression ratio, and several

5、 types of variable compression ratio can be achieved. This paper studied a single cylinder engine, and designed a VCR mechanism basis on the prototype. Compared with the prototype, the new engine could adjust the compression ratio continuously. In this paper, this design drew the organization chart，

6、and design the size of the main parts, it ensure that the compression ratio can be variable among the rods. And checking the link pin through ANSYS14.0 Workbench, after checking, the size design and the material choice of the rod pin can meet the work requirements.Key words：Variable compression rati

7、o (VCR)、Multi-link、Institutional design、Check.1 绪论近年来，能源危机和排放法规的日益严格对发动机的性能提出了更高的要求，为了适应这些新要求，同时使发动机拥有更好的动力性、燃油经济性和排放性，可变压缩比技术更加受到重视。严峻的能源形势和日益严格的排放法规使传统发动机，尤其是传统的车用发动机面临着严峻的生存挑战。一直以来，既有良好的动力性能又有良好的燃油经济性和排放性能是发动机所追求的目标，然而这些性能在一般的发动机上又没法同时获得。为了解决这个矛盾，一些新技术如可变技术应运而生，其中像可变气门正时、可变气门行程、可变进气歧管、可变喷油及可变增压等技

8、术都为人熟知并已在许多车型上使用。可变压缩比技术也是其中很有潜力的一种，能够很好地改善发动机热效率、燃油经济性和排放性能，但由于种种原因发展相对滞后。一般情况下，发动机的压缩比越高，活塞作功行程的距离就越长，做功就越多，输出功率也越大。但是，汽油机中过大的压缩比会导致不可控制的燃烧，从而损坏发动机，且在负荷比较大时容易发生爆振；柴油机中过大的压缩比使柴油机气缸压力过高，导致振动噪声加剧，运动部件所要承受的冲击负荷增大，从而影响柴油机的工作可靠性和使用寿命。因此，根据发动机负荷的变化，采用可变压缩比技术是非常必要的。1.1 可变压缩比概念可变技术是内燃机相关系统的结构或参数随着使用要求和工况的变

9、化而变化，使内燃机在各种工况下都达到理想的工作效果，综合性能指标得到大幅提高，并能够避免不正常燃烧及超负荷工作等发生的一种技术。我们知道，发动机从设计制造好之后，其很多参数如配气相位、压缩比等就是固定不变的，这些参数只是综合各种工况下最好状态后的折中，这使发动机不能完全发挥其性能。发动机研究者们一直致力于提高发动机的各种性能，如果将一个个不可变的结构及参数变成可随相应工况和需要灵活可变的，则能在很大程度上改善发动机的综合性能。可变技术就是基于这种想法而出现的，其在解决较大转速和负荷范围内的动力性与经济性及排放性的矛盾显示出独特的优势。压缩比是气缸总容积与燃烧室容积的比值，其表示活塞由下止点运动

10、到上止点时气缸内气体被压缩的程度，是衡量发动机性能的重要参数，是影响发动机效率最重要的因素之一。一般来说，压缩比越高，发动机的性能就越好。对于传统的发动机，一经设计好其压缩比是固定不变的，因为燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数。现代汽车发动机的压缩比汽油机一般为812，柴油机一般为1222。可变压缩比技术主要是针对增压发动机的一种技术。固定的压缩比不能充分发挥发动机的性能，事实上在小负荷、低速运转时，发动机的热效率低，相应地综合性能比较差，这时可以用较大的压缩比，而在大负荷、高转速运转时，若压缩比过高，则很容易发生爆震并产生很大的热负荷和机械负荷，这时可以用较小的压缩比。随着负荷的变化连续

11、调节压缩比，可以最大限度地挖掘发动机的潜力，使其在整个工况区域内有效提高热效率，进而提高发动机的综合性能。1.2 国内外的研究现状关于可变压缩比技术的研究起步较早，最早主要是在压燃式发动机方面研究。英国内燃机研究所（BICERI）于1952年就开始了可变压缩比活塞的研究，后来其将高压涡轮增压技术推广到了中速压燃式发动机上，获得了很高的动力性又不使气缸压力超过限度。美国大陆公司于1961年开始研究的用于坦克动力的AVCR1360-2可变压缩比柴油机，压缩比可高达9：116：1。其突出特点是,为了克服过高的热负荷和机械负荷,达到尽可能高的强化程度以及改善起动性能和低速工作性能等采用了变压缩比活塞。

12、我国西安交大的王志达先生于20世纪70年代末研制成可变压缩比摆盘柴油机，这种柴油机将摆盘设计成可以沿轴向移动的结构，通过控制摆盘的轴向位置来改变活塞的上下止点位置，使摆盘柴油机的压缩比成为可变的和可以调节控制的。其结构紧凑，质量轻，不仅像低压缩比柴油机那样能实现高增压,而且在起动性能和低负荷性能方面也表现优越。前苏联在20世纪80年代就由拖拉机研究所车拉宾斯克分所做了可变压缩比柴油机的试验研究，其达到了在相同的增压条件下提高功率，提高部分负荷的经济性,并降低发动机零部件热应力和机械应力的目的。近数十年来，随着日益严峻的能源问题和越来越严格的排放限制，可变压缩比技术的研究在点燃式发动机上进展迅速

13、，出现了很多相关的新技术和专利，几种优秀的可变压缩比发动机也已经问世，如瑞典绅宝（SAAB）汽车公司于2000年开发的1.6L可变压缩比发动机SVC，压缩比可在8：114：1之间变化，其最大功率为168kW，达到了3.0LV6发动机的水平，最大扭矩为305N·m，CO，HC排放值平均可降低30%，百公里耗油为8.3L，性能很好。法国的MCE-5Development公司开发的MCE-5可变压缩比发动机，压缩比可以从7：120：1无级地变化，压缩比控制的过程非常快，是一种一体化的发动机组,综合了功率传输和压缩比控制功能，采用了长寿命的齿轮和滚珠轴承系统导向的活塞，燃烧热效率可以提高20

14、%，燃油消耗可降低30%。德国的FEV公司研发的1.8L可变压缩比汽油机，压缩比可在8：116：1之间进行调节，其扭矩达300N·m，功率达165kW，升功率超过90kW/L，且相对于固定压缩比的原型车油耗降低了7.8%，也满足欧排放要求。日本的日产公司于2005年研制的VCR发动机，压缩比可在8：114：1之间变化，在100km/h定速行驶时，其燃油消耗可降低13%，且在高压缩比时燃烧性能良好，即使在大量废气再循环的工况下燃烧性能仍然稳定。我国对可变压缩比技术的研究起步较早，但由于种种原因尚没有理想的产品问世，国内对VCR发动机的研究基本还处在理论研究阶段。很多相关的专利技术如四川

15、王季高工的内燃机智能燃烧室、广东陈晨的自适应可变压缩比发动机、贵州罗兴祥的充气式可变压缩比发动机等都是我国在这领域的研究成就。尤其值得一提的是王季先生于2002年提出并获得专利的内燃机智能燃烧室技术，其扩大和提高了可变压缩比的作用，获得了很好的应用效果。1.3 可变压缩比的优点传统的发动机压缩比是固定不变的，从而使中小负荷时废弃率比例过高，且压缩终了压力过低，因此做功效率低。在小负荷工况下，发动机的热效率低、综合性能差，这时可以采用比较大的压缩比；在大负荷工况下，由于过高压缩比容易产生爆燃和很大的机械负荷，应该采用较小的压缩比。A、提高了发动机的热效率，很大程度上改善了发动机的燃油经济性。这是

16、可变压缩比技术对发动机最大的好处。采用VCR后，无论是何种工况，发动机总在爆震限制条件下工作，获得最佳热效率。B、有利于降低排放。为了使催化转化过程能够顺利地进行，三效催化转化器必须达到400左右的工作温度。冷发动机起动后需要经历一段所谓的“起燃时间”才能达到这一温度，大约是1至2分钟。在起燃时间尚未结束之前，三效催化转化器对排放的净化转化作用十分有限。采用可变压缩比汽油机概念，与推迟点火一样，能够降低热效率进而提高单位排量的废气热流量，迅速地加热三效催化转化器，就可以缩短起燃时间，明显地降低冷起动和暖机阶段排放。在部分负荷工况，针对HC随着压缩比增大而升高的现象，一方面，由于本概念可以接受较

17、大的排气再循环率，因而能够更多地降低NOX排放；另一方面，在较高负荷下通过提高压缩比能够提高热效率，增大扭矩，可以部分地替代混合气加浓的程度，因而降低对混合气加浓的要求，这样就可以扩大闭环控制的工况范围，进一步降低有害物质CO和HC的排放。 C、具有良好的燃料适应性。可变压缩比使得汽油机在所用燃料种类方面非常机动灵活，因为可变压缩比汽油机总是以最适合于所选用的燃料的压缩比工作。如果可变压缩比汽油机采用其辛烷值超过汽油的燃料工作，那么上述优点就会变得更大。例如，甲醇是一种经常被用来代替汽油的代用燃料，其马达法辛烷值为88，而研究法辛烷值为108。因此，在高转速下，甲醇达到了实际上跟汽油相同的抗爆

18、震性；而在低转速下则相反，它的抗爆震性远远超过汽油。可变压缩比汽油机概念能够充分利用这种高抗爆震性，更好地利用燃料的能量。 D、相同输出功率的情况下结构可以更紧凑，达到小排量大功率、大扭矩。E、兼顾部分负荷时的燃油经济性和大负荷时的动力性，改善发动机低速动力性能的同时还避免了燃烧过程中的爆震风险，使发动机的动力性、经济性和排放性得到了较好的统一。F、一定程度上能提高运行稳定性，降低噪声。传统的固定压缩比汽油机在冷机怠速阶段为了加热三效催化转化器，要大幅度地减小点火提前角以降低热效率。这样一来就会明显地降低扭矩，有可能使得发动机运行不稳定。在全负荷工况为了减少增压汽油机的爆震倾向性也要依靠减小点

19、火提前角。但是，过多地减小点火提前角会导致扭矩过多地下降，使得发动机运行不稳定。可变压缩比汽油机可以先通过减小压缩比在一定程度上降低热效率，然后根据实际的转速变动情况在较小范围内调节点火提前角，使得发动机在冷机怠速和全负荷时平稳地运行。另外，通过提高压缩比可以提高扭矩，抵消高的排气再循环率给发动机运行带来的负面效应。1.4 本文研究主要内容本论文研究的主要是款新型多连杆单缸机。在原机设计的基础上重新考虑了变压缩比机构的设计，以及对机构构成零件的设计和连杆销的校核。最重要的是对机构的设计和零部件的设计。主要内容包括：A、可变压缩比现有方案的分析与比较。阐述可变压缩比的优点，介绍现有的一些可变压缩

20、比技术方案，对其各自的优缺点进行分析与比较，最后归纳总结出可变压缩比技术方案的基本要求。B、可变压缩比技术方案设计。设计多连杆可变压缩比机构，并对零部件进行设计。C、对重要零部件进行设计，设计出零部件的尺寸。D、对重要零部件进行校核。连杆销是本设计中重要的零部件，需在选材、尺寸方面进行设计，并且进行校核，得出形变、应力分布图。本设计目的是设计一种多连杆可变压缩比机构，在实现原机改动较小的情况下，安装多连杆机构，并实现发动机经济性和动力性无明显下降。2 机构设计2.1 可变压缩比实现方案及优缺点（1）实现方案方案一：气缸盖活动方式，如图2-1。图2-1 气缸盖活动方式其气缸盖可以围绕着曲轴箱转动

21、，通过橡胶密封件跟曲轴箱隔开，所以不会有机油喷出。利用液压调节装置将整体气缸盖相对于曲轴箱转过一个角度，从而改变燃烧室容积，同时相应地改变了压缩比。但是，此类型发动机可活动部分的质量大，其移动需要很大的能量，成本很高。方案二：偏心衬套方式图2-2 偏心衬套方式具体又可分为活塞销偏心衬套方式、曲柄销偏心衬套方式和曲轴偏心衬套方式。曲轴支承在一个偏心轮上，通过使偏心轮转过一个角度，改变了曲轴在竖直方向上的位置，因而活塞上下止点的位置也相应改变，实现压缩比可变。但是，这种方案由于输出轴位置要移动，所以必须考虑与变速器结合或配合的问题，必须对驱动系统进行补偿，具有很强的针对性，不便于大量生产推广。方案

22、三：可变活塞方式图2-3 可变活塞方式通过改变活塞销与活塞顶面的距离来实现可变压缩比的方案，包括液压活塞和压力自适应活塞( PRP)两种。液压活塞质量大，不易于高速旋转，而且响应有滞后，需要几个热机循环的时间。压力自适应活塞很好地弥补了这一缺点，其是自适应控制的，压缩比的改变不需要附加控制力，活塞顶面高度完全取决于汽油机缸内压力的大小。方案四：燃烧室容积可变方式图2-4 燃烧室容积可变方式通过设置在气缸内的副活塞往复运动改变燃烧室容积。这种调节方案易产生密封问题，为了保证副活塞在高温高压工况下能够要持久工作必须对其进行冷却，而且对燃烧室布置改变的不合理会导致放热损失急剧增加，使得汽油机热效率减

23、小。方案五：多连杆方式图2-5 多连杆方式把连杆分为两部分，改变两者的夹角以实现改变连杆长度的目的，其配置方式有很多，日产公司开发的一款发动机采用在曲柄销转动部位摆动的杠杆的一端与连杆连接，而杠杆的另一端则采用与控制轴延伸出来的连杆相连接的构造。多连杆方式能够很好的控制压缩比的改变，操作简单方便，改变压缩比的范围比较大，能够提高发动机的燃油经济性以及动力性。2.2 可变压缩比机构选择和确定由2.1的分析中可以知道，前四种方案（气缸盖活动方式、偏心衬套方式、可变活塞方式、燃烧室容积可变方式）的缺点都比较明显，生产成本高，要求所生产的零件精度高，不利于大量生产和推广，更换零件的费用也比较高，而且有

24、些还会降低发动机对的效率，从而降低发动机的经济性，不利于可持续发展的方针和环保的概念。由此选定方案五为本设计的可变压缩比机构类型，多连杆方式。多连杆方式是将连杆分成两段，在加上一根操纵杆，通过操纵杆的移动控制，从而改变发动机的额压缩比。通过多连杆方式控制压缩比的改变，压缩比的可变范围广，且操纵起来简单方便，只需移动操纵杆，即可改变发动机的压缩比。2.3 可变压缩比机构设计机构图如图2-6。图2-6 可变压缩比机构图这种机构将连杆分成两段，杆1和杆2，即上连杆和下连杆，上下连杆通过连杆销进行连接，通过移动操纵杆改变压缩比。其中，OA为曲柄半径，AB为杆1，BC为杆2，BD为操纵杆，EF为一根轴，

25、点E、F可在水平方向移动，滑块D在轴EF上滑动，C点为活塞销。这个机构由两根连杆和一根操纵杆组成，且杆1与杆2的长度分别为80mm和130.7mm。操纵杆BD在D点为一滑块，且这滑块随B点的运动沿一根轴上下滑动，D点的滑块就起到了使操纵杆BD保持水平的作用。E、F点可在水平方向上移动，其中E、F同时往右边移动，滑块D也往右移动，操纵杆BD是不可伸缩的，所以B点也同时往右移动，且C点，即活塞销，在水平方向上是不会有位移的，那么，B点的往右移动就会导致杆1AB、杆2BC的倾斜，A点与C点的相对距离就会减小，相当于连杆长度变短，从而压缩比也会发生改变。这就是这个机构改变压缩比的原理。3 主要零部件设

26、计原型机S195柴油机的连杆长度为210mm，压缩比为20，在可变压缩比机构中，上连杆与下连杆在一条直线上（即未拉动操纵杆）时，压缩比应大于20，在操纵杆往右拉的过程中，压缩比是逐渐减小的，操纵杆往右拉动10mm后，压缩比为控制范围的最小值，此时的压缩比也应该不小于20。以上为已知条件，通过计算得出，上下连杆在一条直线上时长度为210.7mm最为合适。3.1 上连杆设计上连杆即为图2-6中的杆2，它的作用是将作用在活塞上的气体力传递至下连杆，即杆2。在上连杆的设计中需要考虑的有几个方面：1）上连杆的长度；2）上连杆连杆销孔的大小，即上连杆与下连杆连接处销孔的大小。在设计上连杆的时候，需要考虑操

27、纵杆位置、缸套位置和活塞行程，因此，将上连杆的长度设计为130.7mm，连杆销孔大小为直径35mm（已加装衬套）。受平衡重的限制，拨叉处的宽度为36mm。图3-1 上连杆设计图在连杆销孔处，上连杆为拨叉形，其中宽度为36mm，叉的厚度为6mm，保证连杆运动没有干涉。3.2 下连杆设计下连杆即为图2-6中的杆1，其作用是将上连杆传来的作用力传递到曲轴，是曲轴作旋转运动，产生动力。下连杆中需设计下连杆长度，以及下连杆与上连杆连接处的厚度、形状等。在可变压缩比机构中上连杆长度为130.7mm，总长为210.7mm，所以设计的下连杆长度为80mm。设计下连杆与上连连接处的形状，上连杆与下连杆连接处为拨

28、叉形，下连杆与上连杆配合，如图3-2。图3-2 下连杆设计图由上图可以看出，上连杆与下连杆连接后，仍有左右各4.5mm的空隙，这个空隙就是放置操纵杆连接处拔插的位置。3.3 连杆销设计连杆销，即上下连杆连接处和连接操纵杆的销，作用是将上下连杆连接起来，让作用力能够从上连杆传递至下连杆，并能够操纵压缩比的改变。上下连杆与操纵杆连接处最大的厚度为36mm，所以将连杆销的长度设计为36mm。连杆销为管状，上下连杆连接处的连接孔半径为19.5mm，在连接时，还需要加装一个厚度为2mm的衬套，所以连杆销的外圆半径为17.5mm，厚度为7.5mm，即连杆销内圆半径为10mm。图3-3 连杆销设计图上图为连

29、杆销的设计图。4 机构校核4.1 机构运动轨迹验算如图2-6，这个可变压缩比机构主要运动点包括A、B、C、D四点，因此主要验算这四点的运动轨迹。1）改变压缩比之前，即B点未往右移动，与C点在同一竖直方向。 图4-1 改变压缩比之前各点运动轨迹图 图4-2 改变压缩比之前几个特殊位置由图4.1和图4.2可知，改变压缩比之前，各机构之间没有运动干涉。表4-1 改变前几个特殊位置各点坐标角度弧度曲柄半径AxAyByCyDxDy0057.50057.50137.50268.20117.5137.50450.7957.5040.6640.66109.56240.26117.5109.56901.5757

30、.5057.50055.62186.32117.555.621352.3657.5040.66-40.6628.24158.94117.528.241803.1457.500-57.5022.50153.20117.522.502253.9357.50-40.66-40.6628.24158.94117.528.242704.7157.50-57.50055.62186.32117.555.623155.5057.50-40.6640.66109.56240.26117.5109.563606.2857.50057.50137.50268.20117.5137.502）改变压缩比之后，即操纵杆

31、BD在杆EF的作用下往右移动。 图4-3 改变压缩比后各点运动轨迹 图4-4 改变压缩比后几个特殊位置由图4-3和图4-4可知，改变压缩比后各机构也没有运动干涉。表4-2 改变后几个特殊位置坐标角度弧度曲柄半径AxAyBxByCyDxDy0057.50057.5010136.87267.19127.50136.87450.7957.5040.6640.6610114.55244.87127.50114.55901.5757.5057.5001064.37194.69127.5064.371352.3657.5040.66-40.661033.23163.55127.5033.231803.14

32、57.500-57.501021.87152.19127.5021.872253.9357.50-40.66-40.661021.26151.58127.5021.262704.7157.50-57.50-01042.94173.26127.5042.943155.5057.50-40.6640.6610102.58232.89127.50102.583606.2857.50057.5010136.87267.19127.50136.87以上为可变压缩比机构的轨迹验算，详见轨迹验算。4.2 连杆销校核连杆销连接上下连杆，并且将上连杆的作用力传递到下连杆，因此对连杆销的校核是很有必要的，利用AN

33、SYS 14.0的Workbench平台对活塞进行校核。连杆销的最大受力处在上止点时，即最大爆发压力处。在校核连杆销之前，需要对改变压缩比后的新机进行工作过程计算，得到最大爆发压力，从而计算最大的力。表4-3 新机的压缩比 （mm）初始位置右移10mm最大值268.20267.45最小值153.20150.47行程115.00116.98压缩比22.4620.16新机的最大压缩比为22.46，所以就以最大压缩比22.46进行工作过程计算，得到最大的气体压力，即此时的连杆销受到的力最大。图4-5 新机的工作过程计算由图4-5可知，最大压力为88.92bar，换算成力为N。准备工作做完，下面就用A

34、NSYS 14.0的 Workbench平台对连杆销进行校核。4.2.1 有限元分析与ANSYS Workbench一、有限元概念现代工业正快速的发展，随之带动着生产技术不断向前进步，高质量，高水品的大型、复杂机械以及精密仪器也在不断的设计开发当中。为了降低开发成本并节约产品设计时间，人们需要通过有效的手段提前计算出所设计的机械机构在未来工作时将受到的应力，将发生的应变，以及其位移，强度，疲劳寿命的情况。但是传统的计算理论很难对实际的工程机构的受力变形情况进行有效分析。因此，人们探寻出一种简单有效而且具有很高精确度的数值计算方法，就是有限元法，其是一种能够适应当前工程实践需求的十分有效的数值计

35、算方法。有限元法思想可以追溯到20世纪40年代的R. Courant在求解扭转问题时，提出的将面分成若干三角形区域，然后分别对各个三角区域定义函数，求解出近似解。而正式的提出“有限单元法”这个概念是在20世纪60年代，由波音公司的Turner, Clough等人分析飞机结构时采用分片小区域求解出平面应力的正确解答后，于其后的一篇论文上概括出来的。经过到现在_50年的发展，有限元法己经成为工程分析中使用最为广泛的数值计算方法，同时也被很多工程师用于处理结构分析，流体和热传导等复杂问题中。伴随着计算机科学和技术的迅猛发展，有限单元法受到了工程技术界的高度重视，并成为现今计算机辅助设计和制造技术的重

36、要组成部分。有限元法是一种基于变分原理发展起来的求解微分方程的数值计算方法，在确定一个数学模型的基本变量、基本方程、求解域以及边界条件后，从而可以进行分析求解相应的物理模型。其基本思想可以概括为三个部分:首先，将能够表示物体结构的求解域离散成若干互不重叠的子区域，称这种区域为单元，子区域之间也仅通过节点相互连接，原始的边界条件就成为新子区域的节点上的便捷条件，至此离散化过程完成。第二步就是在每个小单元内，选择一种假设的近似函数来分片表示全求解域内待求位置因素的变量。其中每个单元内的近似函数可以用未知场函数在各个单元节点上的数值与对应的插值函数来表达。场函数可以被视为求解的基本未知量，并按弹性理

37、论中的能量原理或变分原理可以建立其单元节点和节点位移之间的函数关系。最后就可以进行计算，通过求解所有单元和位移的关系式集合起来形成的这个代数方程组，在计算机上可以将之表示成规范的矩阵形式，然后通过相应的数值求解方法来得到问题所需要的结果。在整个有限单元法分析过程中，可以知道，离散化为基础，其对于单元网格的划分形状和数量并没有限制，所以我们可以任意选择单元形状和数量，并且还可以在同一个物体上划分出不同的网格形状，最后的结果决定计算的精确性和计算所需要的时间等。在每个单元内假设出近似方程是有限元法的核心，单个的单元形状由于简单可以很方便的计算出逼近真实解的近似解，对于整个求解域，只要我们设定的单元

38、近似函数满足收敛性要求，通过离散化出来越小的单元格计算出来的解的精度就会越高。对于有限元最后的计算方法，将是整个有限元分析的关键，其中涉及到矩阵表示和计算机求解。由于有限元方程的未知量以节点数和导数值来表示，一般工程问题都有成千上万的节点数，所以未知量很多，所以必须通过矩阵表示来实现计算机的求解才能计算出最终结果。有限元法发展至今己经成为一种用途广泛的数值计算方法，其具有鲜明的特点可以概述为以下几个方面:1) 具有简明的理论基础，适用于各种复杂几何模型。因为有限元法就是以几何离散和分片插值为基本思想，离散出若干单元来逼近几何原型;同时使用近似函数法来逼近单元内的真实解;最后利用等效变分理论建立

39、基本方程，使其具有明显的物理意义。2) 具有通用的计算方法，能够适应各种物理问题。如今有限元计算不光可以成功处理应力分析中常见的非均匀材料以及各向异性材料问题，还可以解决非线性应力应变和复杂边界条件这些难题。同时随着理论基础的不断进步和发展，还可以对热传导，流体力学等这些非线性问题进行求解，有限元法在理论上对于一切可以用微分方程描述的物理问题都能求解。3) 具有严格理论基础，可以处理各种复杂边界，且具有高的可靠性。由于有限元理论离散化时并不限制单元的形状必须规则，而是可以任意选取，单元大小也同样是可以随意选择的，同时可以将不同单元形状的网格进行组合，按照其求解准则只要单元是满足收敛的就能够求出

40、解来，因此可以通过选择单元形状和数量来控制计算的精度。4) 计算格式非常规范，这就有利于实现计算机程序化计算。因为广泛应用到矩阵方法，矩阵的特点就是把繁杂的代数方程变成非常简洁紧凑的数学形式，这样将有利于计算机存储和识别，这样就可以靠计算机程序来进行这些复杂庞大的计算。我们在用有限元法进行分析时根据上面的特点介绍，主要也是按三大步骤来进行的，分别是结构的离散化、单元分析以及整体分析。其简单介绍如下:A、结构离散化。进行结构离散是有限元法的基础，所以我们在进行有限元计算时，首先是对要研究的物体模型进行单元网格的划分，可以使用有限元软件自带的划分工具进行自动划分，选择不同的单元格形状和数量将对之后

41、的计算结果的精确性带来实质的影响。当然有些零件由于表面边界比较复杂，自动划分网格会失败，这时我们就可以选择专门的网格划分软件来对原件进行划分。网格划分好后，这时的有限元计算其实只是对相同材料的子单元进行一一计算，结果的准确性取决于网格的形状和数量。B、网格划分好后就是进行单元分析。首先是选择位移函数，就是每个单元上物理量的变化规律的近似函数表达。通过插值可以表示出单元内任意一点的位移。根据数学理论，总可以用一个多项式来定义一个闭区域内的函数，并且多项式计算较简单，所以位移函数采用的是多项式。对于计算结果，多项式项数越多，也就更加逼近真实位移，计算的结果就将更精确。之后我们就可以建立单元平衡方程

42、，按照弹性力学相关方程知识导出应变和应力表达式，通过节点力与位移的关系建立出平衡方程，这个方程也可称为刚度方程，其系数矩阵称为单元刚度矩阵，由式4-1表示: 公式(4-1)式中角标e为单元编号; 为单元的节点位移; 为单元的节点力向量; 为单元刚度矩阵。有了单元平衡方程后就可以计算等效节点力，是将作用在单元边界的表面力，集中力以及体积力都等效移动到节点上去，就可以将等效节点力来代替所有作用在单元上的力。C、最后就是进行整体计算，建立整体平衡方程，有限元分析按照先分后合的过程进行，之前是建立了各个单元节点的方程，这时就将这些方程集合起来，就成为了有限元位移基本方程，形成的整体方程如式4-2所示。

43、 公式(4-2)式中，k为整体结构的刚度矩阵; 为整体节点位移向量;F为整体载荷向量。之后就将边界条件引入，这样整体方程就具有了位移解，从而通过计算机程序化计算就可以求出所设计部件的应力应变和强度情况。二、ANSYS14.0简介ANSYS软件是如今应用非常广泛的有限元分析软件，它是由美国的ANSYS公司开发。ANSYS公司是于1970年在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡由著名的力学专家，匹兹堡大学教授，有限元法权威John Swanson博士建立的，目前也是世界上最大的CAE行业公司之一。ANSYS软件集合了结构，流体，热，电磁，声学于一体的有限元分析软件。具有功能非常完备的前处理和后处理器使得ANS

44、YS的使用异常的方便，并且还具有许多得心应手的实用工具以及强大的图形处理能力，使得用户能轻松快捷的进行操作，集成的多平台解决方案清晰明了，能够对ANSYS的所有功能应用自如。ANSYS软件具有多样的分析能力，包括最简单的线性静态分析以及一些复杂的非线性动态分析，用户可以使用ANSYS来对结构、流体、电力、电磁场以及碰撞等问题进行分析计算。它主要是由前处理部分，求解器，后处理模块和优化模块组成，将有限元分析和计算机以及工程优化方法结合起来，成为了现如今解决工程学术问题所不可或缺的工具。ANSYS软件最初诞生时和现在的版本界面相比有很大不同，那时它仅仅提供了线性结构的分析和热分析，而且只有在大型计

45、算机上才能使用和进行计算。后来随着电子计算机技术的蓬勃发展，到了20世纪70年代初加入了非线性和子结构等功能;到了20世纪70年代末，图形技术和交互操作也被应用于ANSYS软件之中，这时的ANSYS进入了一个全新和快速发展的时期。随着近代分析技术的发展，ANSYS也融合了许多新的设计分析概念和方法，这对ANSYS在之后的迅速普及起到了决定性的作用。经过40年的发展，现在的ANSYS不仅功能日益丰富和完善，其求解的速度也是越来越快，并且求解规模也变得越来越大，还具有非常友好的操作界面，操作输入都非常简洁明快，使用越来越方便，成为国内外工程技术人员比较欢迎的产品。到目前为止，ANSYS软件在航空航

46、天、汽车交通、土木归纳过程、机械制造、铁路建设、石油化工、国防军工、核工业、造船、电子、生物医学、水利水电、日用家电等行业以及科学研究中得到非常广泛的应用。它可以与很多CAD软件互相实现数据交换和共享体内各国它自身的各种接口，如PRO/Engineer, AutoCAD, UG等，成为了现代产品开发设计的重要CAD工具之一。 ANSYS软件发展到现在的14.0版本，己经具有了一个日益被人们所熟悉的客户化开发平台，ANSYS Workbench，这个平台最早出现在ANSYS 10.0版本发行的时候，到如今经历了五代的发展，其功能和使用性得到了快速的发展。ANSYS公司长期以来都在给用户提供成熟的

47、CAE产品，到ANSYS 10.0发布的时候，决定对自己的CAE软件产品进行拆散，形成各个组件。公司不仅仅提供非客户整合的、成熟的产品，同时也提供给客户软件的组件(API，基于MSCOM技术)。这样用户在使用的时候可以依据自身的实际情况，按需将这些拆分了的技术进行重新组合，并且可以组合成具有自己自主知识产权的技术，成为一个既可以满足自身分析所必须的功能的，同时又具有很多个性化因素的软件产品。Workbench就是专门为了客户组合这些组件而设计的技术平台。Workbench就是ANSYS公司所提出的协同仿真环境概念的软件支持平台。ANSYS公司对于这款产品提出了一些观点:保持核心技术多样化的同时

48、，建立协同仿真环境。其实这款产品也是为了面对制造业信息化大潮、仿真软件生产商的各种竞争而专门设计开发的，其与传统ANSYS软件的对比主要从以下几点说明:1) Workbench更像PDM那样，利用了与仿真相关的API，用户可以根据自己产品的研发流程特点开发实施从而形成仿真环境，并且用户可以自主研发API,与ANSYS软件自身己有的API是平等的。这个特点就可以被称为“实施性”。2) Workbench是一个集成平台，其中最关键的是可以集成各种第三方开发的求解器，在Workbench里面求解器被看成为一个组件，其支持无论哪家CAE公司提供的求解器，并且都是平等的关系，用户在使用Workbench

49、的时候经过对这些求解器的简单开发就都能够被直接调用。3) Workbench与CAD系统有着不同寻常的关系，用户在使用Workbench的时候不仅可以直接使用异构CAD系统来进行建模，而且可以建立起与CAD系统的灵活的双向参数互动关系。通过以上的这些不同点，Workbench提供给了用户一个更加自由的分析和计算环境，使得用户可以自由选择各种层级的计算模型和求解器对通过CAD系统建立的模型进行仿真计算，并且通过Workbench界面可以直观的看到计算的结果。如果用户对计算结果不满，就可以修改相应参数进行重新的计算，直到获得满意结果。而这些满意的设计参数将通过Workbench平台和CAD系统进行

50、双向的互动信息交换，优化的设计参数可以回到最后CAD模型中，生成用户需要的设计方案。4.2.2 建立连杆销模型本次连杆销的校核是利用ANSYS14.0中Workbench平台进行的。建立连杆销的模型，长36mm，外径35mm，内径20mm。由于需要考虑后面加载，所以需要将连杆销分段建模。首先将内圆和外圆画出，拉伸，拉伸长度为6mm，拉伸结果如图4-6。图4-6 拉伸长度6mm在拉伸的面上建立一个新的坐标系，并且加上一个切片，将先后拉伸的面分开，方便后面加载分析。拉伸面，拉伸长度为4.5mm，如图4-7。图4-7 加入切片并拉伸4.5mm依照上面的步骤，建立新坐标系，加入切片并拉伸，此次拉伸长度

51、为15mm。图4-8 拉伸长度15mm加入新坐标并加入切片，拉伸长度为4.5mm。图4-9 拉伸4.5mm再加入新坐标并加入切片，此次拉伸长度为6mm。图4-10 拉伸6mm如图4-10，连杆销的建模完成。4.2.3 网格划分AYSYS程序提供了使用便捷、高质量的对模型进行网格划分的功能。网格的划分是有限元计算中的关键步骤，网格划分对于计算是否合理影响很大，网格数目的多少直接影响计算的精度和复杂程度。网格划分分为两种：自由网格划分和映射网格划分。在划分网格之前，确定网格划分的方式是十分重要的。映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定规则。与映射网格相比，自由网格对于单元形状没有限制，并

52、且没有特别的准则。故本文采用自由网格划分方式，划分选Fine。图4-11 网格划分4.2.4 材料定义材料参数也是影响计算结果的重要参数。连杆销的材料选择15Cr。15Cr的弹性模量为210GPa，泊松比为0.314.2.5 加约束及载荷在X、Y方向施加自由度约束。根据工作过程计算的结果，最大压力为N，在最左边和最右边的两个拉伸体上施加载荷，都为N。至此，施加的约束和载荷都与实际相近，施加约束和载荷完毕。4.2.6 结果与分析以上已经完成连杆销的建模、网格划分、材料定义以及施加约束和载荷，可以进行计算与分析。图4-12 连杆销形变图图4-12为连杆销的形变图，从图中可以看出，连杆销的最大形变为

53、0.015mm，在材料允许的形变范围内。图4-13连杆销应力分布从图上可以看出，连杆销的最大应力为484.32MPa,满足材料的许用应力。从以上的校核中可以看出，材料为15Cr的连杆销符合使用条件，在使用中是可靠的。5 结论与展望5.1 结论本文是以S195柴油机为原型并在其基础上进行了设计改动，为了达到压缩比可变的目的，设计的一种多连杆可变压缩比机构，改变了原机的连杆。对新机的关键零部件连杆销的形变、受力进行了有限元分析，验证设计的合理性。可变压缩比技术室改善发动机整机性能的一项重要手段，一直以来受到内燃机科技工作者的广泛关注，目前仍然是车辆发展的趋势之一。本文针对多连杆可变压缩比机构，对其

54、进行了研究，具体完成了以下几个方面的工作： A、可变压缩比技术方案的确定总结前人的设计经验，比较了现有的各种可变压缩比方案，首先抛弃了燃烧室容积可变方式，因为这种方式对热效率影响很大并且易产生密封问题;偏心移位方式适用性有限，与配套装置有兼容性问题;气缸盖活动方式占用空间大，消耗的机械能也多。因此，以压多连杆的可变压缩比方案为研究对象。 B、多连杆机构设计设计的核心就是各连杆长度及操纵方式，连杆长度分配不均将导致压缩比的不可控和各杆之间运动的干涉，因此选上下连杆长度分别为130.7mm和80mm，此时最大的压缩比为22.46，操纵方式选取拉杆方式，这种操纵方式的优点是操纵简单方便。C、可变压缩

55、比机构运动分析 通过对多连杆机构各杆之间的运动分析，得出本机构的可动性，且各杆之间的运动互不干涉，能够实现压缩比可变的目的。D、对多连杆重要零部件进行设计设计了上下连杆和连杆销，实现压缩比可变。E、对连杆销用有限元进行分析连杆销是连接上下连杆，并将力从上连杆传递至下连杆的枢纽，是很重要的零部件，因此对连杆销的校核是非常有必要的。利用ANSYS14.0对连杆销进行校核。根据以上步骤，得到以下结论：a、可变压缩比技术可以大大改善发动机的动力性、燃油经济性和排放性，能够适应发动机新的要求；b、新机采用多连杆设计之后，相比原机的单一连杆机构具有更好的运动特性，改善新机的燃烧效率，提高新机的功率和扭矩。

56、c、本文设计的这种多连杆机构能够改变压缩比，是压缩比能在20.1622.46之间，并且各杆之间不存在运动干涉；d、结合有限元软件ANSYS Workbench，对连杆销进行了校核，虽然对原型机的连杆结构作了调整，但其强度仍然满足设计要求。5.2 展望通过本文的研究步骤，基本完成对一款发动机关键机构的设计要求，但是由于自身研究时间和条件的限制，仍然还有需要进一步完善的地方：A、由于新机采用了多连杆结构，所以总体不平衡质量增加，使得整机受到的激振力相比原机变大，所以必须设计一套平衡系统来平衡新机的不平衡力。B、由于新机具有多连杆结果以及可变压缩比结构，起运动规律变得相当复杂，新机机构的运动特性和受力特性还需进一步研究；C、设计完成之后，应该在