1、 目 錄摘要2Abstract31 緒論41.1 可變壓縮比概念41.2 國內外的研究現狀51.3 可變壓縮比的優點61.4 本文研究主要內容82 機構設計92.1 可變壓縮比實現方案及優缺點92.2 可變壓縮比機構選擇和確定122.3 可變壓縮比機構設計133 主要零部件設計143.1 上連桿設計143.2 下連桿設計153.3 連桿銷設計164 機構校核174.1 機構運動軌跡驗算174.2 連桿銷校核185 結論與展望295.1 結論295.2 展望30總結與體會31謝辭32參考文獻33S195柴油機改可變壓縮比機構設計摘 要近年來，可變壓縮比技術和可變配氣機構得到了迅猛的發展，可變壓縮

2、比(VCR)對汽車的節能減排有重要作用,是改善汽車動力性、經濟性及排放性能的重要技術之一。本文從理論上分析了可變壓縮比在汽車上應用的必要性,介紹了可變壓縮比技術的意義、優點、國內外研究現狀，以及幾類可實現可變壓縮比的方法。本文研究了一款多連桿單缸發動機，在原機模型上設計了一套可變壓縮比機構，相對原機來說，新機可以實現壓縮比的連續可調。在本文中，還對這套機構進行了繪制，對主要零部件尺寸進行了設計，保證該機構的壓縮比可變，并對機構各桿之間的運動關系進行了驗算，保證幾個連桿之間運動不會發生干涉現象，并利用ANSYS14.0的Workbench平臺對連桿銷進行校核，經校核，連桿銷的尺寸設計和選材方面滿

3、足連桿銷的工作要求。關鍵詞：可變壓縮比（VCR）、多連桿、機構設計、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 緒論近年來，能源危機和排放法規的日益嚴格對發動機的性能提出了更高的要求，為了適應這些新要求，同時使發動機擁有更好的動力性、燃油經濟性和排放性，可變壓縮比技術更加受到重視。嚴峻的能源形勢和日益嚴格的排放法規使傳統發動機，尤其是傳統的車用發動機面臨著嚴峻的生存挑戰。一直以來，既有良好的動力性能又有良好的燃油經濟性和排放性能是發動機所追求的目標，然而這些性能在一般的發動機上又沒法同時獲得。為了解決這個矛盾，一些新技術如可變技術應運而生，其中像可變氣門正時、可變氣門行程、可變進氣歧管、可變噴油及可變增壓等技

8、術都為人熟知并已在許多車型上使用。可變壓縮比技術也是其中很有潛力的一種，能夠很好地改善發動機熱效率、燃油經濟性和排放性能，但由于種種原因發展相對滯后。一般情況下，發動機的壓縮比越高，活塞作功行程的距離就越長，做功就越多，輸出功率也越大。但是，汽油機中過大的壓縮比會導致不可控制的燃燒，從而損壞發動機，且在負荷比較大時容易發生爆振；柴油機中過大的壓縮比使柴油機氣缸壓力過高，導致振動噪聲加劇，運動部件所要承受的沖擊負荷增大，從而影響柴油機的工作可靠性和使用壽命。因此，根據發動機負荷的變化，采用可變壓縮比技術是非常必要的。1.1 可變壓縮比概念可變技術是內燃機相關系統的結構或參數隨著使用要求和工況的變

9、化而變化，使內燃機在各種工況下都達到理想的工作效果，綜合性能指標得到大幅提高，并能夠避免不正常燃燒及超負荷工作等發生的一種技術。我們知道，發動機從設計制造好之后，其很多參數如配氣相位、壓縮比等就是固定不變的，這些參數只是綜合各種工況下最好狀態后的折中，這使發動機不能完全發揮其性能。發動機研究者們一直致力于提高發動機的各種性能，如果將一個個不可變的結構及參數變成可隨相應工況和需要靈活可變的，則能在很大程度上改善發動機的綜合性能。可變技術就是基于這種想法而出現的，其在解決較大轉速和負荷范圍內的動力性與經濟性及排放性的矛盾顯示出獨特的優勢。壓縮比是氣缸總容積與燃燒室容積的比值，其表示活塞由下止點運動

10、到上止點時氣缸內氣體被壓縮的程度，是衡量發動機性能的重要參數，是影響發動機效率最重要的因素之一。一般來說，壓縮比越高，發動機的性能就越好。對于傳統的發動機，一經設計好其壓縮比是固定不變的，因為燃燒室容積及氣缸工作容積都是固定的參數。現代汽車發動機的壓縮比汽油機一般為812，柴油機一般為1222。可變壓縮比技術主要是針對增壓發動機的一種技術。固定的壓縮比不能充分發揮發動機的性能，事實上在小負荷、低速運轉時，發動機的熱效率低，相應地綜合性能比較差，這時可以用較大的壓縮比，而在大負荷、高轉速運轉時，若壓縮比過高，則很容易發生爆震并產生很大的熱負荷和機械負荷，這時可以用較小的壓縮比。隨著負荷的變化連續

11、調節壓縮比，可以最大限度地挖掘發動機的潛力，使其在整個工況區域內有效提高熱效率，進而提高發動機的綜合性能。1.2 國內外的研究現狀關于可變壓縮比技術的研究起步較早，最早主要是在壓燃式發動機方面研究。英國內燃機研究所（BICERI）于1952年就開始了可變壓縮比活塞的研究，后來其將高壓渦輪增壓技術推廣到了中速壓燃式發動機上，獲得了很高的動力性又不使氣缸壓力超過限度。美國大陸公司于1961年開始研究的用于坦克動力的AVCR1360-2可變壓縮比柴油機，壓縮比可高達9：116：1。其突出特點是,為了克服過高的熱負荷和機械負荷,達到盡可能高的強化程度以及改善起動性能和低速工作性能等采用了變壓縮比活塞。

12、我國西安交大的王志達先生于20世紀70年代末研制成可變壓縮比擺盤柴油機，這種柴油機將擺盤設計成可以沿軸向移動的結構，通過控制擺盤的軸向位置來改變活塞的上下止點位置，使擺盤柴油機的壓縮比成為可變的和可以調節控制的。其結構緊湊，質量輕，不僅像低壓縮比柴油機那樣能實現高增壓,而且在起動性能和低負荷性能方面也表現優越。前蘇聯在20世紀80年代就由拖拉機研究所車拉賓斯克分所做了可變壓縮比柴油機的試驗研究，其達到了在相同的增壓條件下提高功率，提高部分負荷的經濟性,并降低發動機零部件熱應力和機械應力的目的。近數十年來，隨著日益嚴峻的能源問題和越來越嚴格的排放限制，可變壓縮比技術的研究在點燃式發動機上進展迅速

13、，出現了很多相關的新技術和專利，幾種優秀的可變壓縮比發動機也已經問世，如瑞典紳寶（SAAB）汽車公司于2000年開發的1.6L可變壓縮比發動機SVC，壓縮比可在8：114：1之間變化，其最大功率為168kW，達到了3.0LV6發動機的水平，最大扭矩為305N·m，CO，HC排放值平均可降低30%，百公里耗油為8.3L，性能很好。法國的MCE-5Development公司開發的MCE-5可變壓縮比發動機，壓縮比可以從7：120：1無級地變化，壓縮比控制的過程非常快，是一種一體化的發動機組,綜合了功率傳輸和壓縮比控制功能，采用了長壽命的齒輪和滾珠軸承系統導向的活塞，燃燒熱效率可以提高20

14、%，燃油消耗可降低30%。德國的FEV公司研發的1.8L可變壓縮比汽油機，壓縮比可在8：116：1之間進行調節，其扭矩達300N·m，功率達165kW，升功率超過90kW/L，且相對于固定壓縮比的原型車油耗降低了7.8%，也滿足歐排放要求。日本的日產公司于2005年研制的VCR發動機，壓縮比可在8：114：1之間變化，在100km/h定速行駛時，其燃油消耗可降低13%，且在高壓縮比時燃燒性能良好，即使在大量廢氣再循環的工況下燃燒性能仍然穩定。我國對可變壓縮比技術的研究起步較早，但由于種種原因尚沒有理想的產品問世，國內對VCR發動機的研究基本還處在理論研究階段。很多相關的專利技術如四川

15、王季高工的內燃機智能燃燒室、廣東陳晨的自適應可變壓縮比發動機、貴州羅興祥的充氣式可變壓縮比發動機等都是我國在這領域的研究成就。尤其值得一提的是王季先生于2002年提出并獲得專利的內燃機智能燃燒室技術，其擴大和提高了可變壓縮比的作用，獲得了很好的應用效果。1.3 可變壓縮比的優點傳統的發動機壓縮比是固定不變的，從而使中小負荷時廢棄率比例過高，且壓縮終了壓力過低，因此做功效率低。在小負荷工況下，發動機的熱效率低、綜合性能差，這時可以采用比較大的壓縮比；在大負荷工況下，由于過高壓縮比容易產生爆燃和很大的機械負荷，應該采用較小的壓縮比。A、提高了發動機的熱效率，很大程度上改善了發動機的燃油經濟性。這是

16、可變壓縮比技術對發動機最大的好處。采用VCR后，無論是何種工況，發動機總在爆震限制條件下工作，獲得最佳熱效率。B、有利于降低排放。為了使催化轉化過程能夠順利地進行，三效催化轉化器必須達到400左右的工作溫度。冷發動機起動后需要經歷一段所謂的“起燃時間”才能達到這一溫度，大約是1至2分鐘。在起燃時間尚未結束之前，三效催化轉化器對排放的凈化轉化作用十分有限。采用可變壓縮比汽油機概念，與推遲點火一樣，能夠降低熱效率進而提高單位排量的廢氣熱流量，迅速地加熱三效催化轉化器，就可以縮短起燃時間，明顯地降低冷起動和暖機階段排放。在部分負荷工況，針對HC隨著壓縮比增大而升高的現象，一方面，由于本概念可以接受較

17、大的排氣再循環率，因而能夠更多地降低NOX排放；另一方面，在較高負荷下通過提高壓縮比能夠提高熱效率，增大扭矩，可以部分地替代混合氣加濃的程度，因而降低對混合氣加濃的要求，這樣就可以擴大閉環控制的工況范圍，進一步降低有害物質CO和HC的排放。 C、具有良好的燃料適應性。可變壓縮比使得汽油機在所用燃料種類方面非常機動靈活，因為可變壓縮比汽油機總是以最適合于所選用的燃料的壓縮比工作。如果可變壓縮比汽油機采用其辛烷值超過汽油的燃料工作，那么上述優點就會變得更大。例如，甲醇是一種經常被用來代替汽油的代用燃料，其馬達法辛烷值為88，而研究法辛烷值為108。因此，在高轉速下，甲醇達到了實際上跟汽油相同的抗爆

18、震性；而在低轉速下則相反，它的抗爆震性遠遠超過汽油。可變壓縮比汽油機概念能夠充分利用這種高抗爆震性，更好地利用燃料的能量。 D、相同輸出功率的情況下結構可以更緊湊，達到小排量大功率、大扭矩。E、兼顧部分負荷時的燃油經濟性和大負荷時的動力性，改善發動機低速動力性能的同時還避免了燃燒過程中的爆震風險，使發動機的動力性、經濟性和排放性得到了較好的統一。F、一定程度上能提高運行穩定性，降低噪聲。傳統的固定壓縮比汽油機在冷機怠速階段為了加熱三效催化轉化器，要大幅度地減小點火提前角以降低熱效率。這樣一來就會明顯地降低扭矩，有可能使得發動機運行不穩定。在全負荷工況為了減少增壓汽油機的爆震傾向性也要依靠減小點

19、火提前角。但是，過多地減小點火提前角會導致扭矩過多地下降，使得發動機運行不穩定。可變壓縮比汽油機可以先通過減小壓縮比在一定程度上降低熱效率，然后根據實際的轉速變動情況在較小范圍內調節點火提前角，使得發動機在冷機怠速和全負荷時平穩地運行。另外，通過提高壓縮比可以提高扭矩，抵消高的排氣再循環率給發動機運行帶來的負面效應。1.4 本文研究主要內容本論文研究的主要是款新型多連桿單缸機。在原機設計的基礎上重新考慮了變壓縮比機構的設計，以及對機構構成零件的設計和連桿銷的校核。最重要的是對機構的設計和零部件的設計。主要內容包括：A、可變壓縮比現有方案的分析與比較。闡述可變壓縮比的優點，介紹現有的一些可變壓縮

20、比技術方案，對其各自的優缺點進行分析與比較，最后歸納總結出可變壓縮比技術方案的基本要求。B、可變壓縮比技術方案設計。設計多連桿可變壓縮比機構，并對零部件進行設計。C、對重要零部件進行設計，設計出零部件的尺寸。D、對重要零部件進行校核。連桿銷是本設計中重要的零部件，需在選材、尺寸方面進行設計，并且進行校核，得出形變、應力分布圖。本設計目的是設計一種多連桿可變壓縮比機構，在實現原機改動較小的情況下，安裝多連桿機構，并實現發動機經濟性和動力性無明顯下降。2 機構設計2.1 可變壓縮比實現方案及優缺點（1）實現方案方案一：氣缸蓋活動方式，如圖2-1。圖2-1 氣缸蓋活動方式其氣缸蓋可以圍繞著曲軸箱轉動

21、，通過橡膠密封件跟曲軸箱隔開，所以不會有機油噴出。利用液壓調節裝置將整體氣缸蓋相對于曲軸箱轉過一個角度，從而改變燃燒室容積，同時相應地改變了壓縮比。但是，此類型發動機可活動部分的質量大，其移動需要很大的能量，成本很高。方案二：偏心襯套方式圖2-2 偏心襯套方式具體又可分為活塞銷偏心襯套方式、曲柄銷偏心襯套方式和曲軸偏心襯套方式。曲軸支承在一個偏心輪上，通過使偏心輪轉過一個角度，改變了曲軸在豎直方向上的位置，因而活塞上下止點的位置也相應改變，實現壓縮比可變。但是，這種方案由于輸出軸位置要移動，所以必須考慮與變速器結合或配合的問題，必須對驅動系統進行補償，具有很強的針對性，不便于大量生產推廣。方案

22、三：可變活塞方式圖2-3 可變活塞方式通過改變活塞銷與活塞頂面的距離來實現可變壓縮比的方案，包括液壓活塞和壓力自適應活塞( PRP)兩種。液壓活塞質量大，不易于高速旋轉，而且響應有滯后，需要幾個熱機循環的時間。壓力自適應活塞很好地彌補了這一缺點，其是自適應控制的，壓縮比的改變不需要附加控制力，活塞頂面高度完全取決于汽油機缸內壓力的大小。方案四：燃燒室容積可變方式圖2-4 燃燒室容積可變方式通過設置在氣缸內的副活塞往復運動改變燃燒室容積。這種調節方案易產生密封問題，為了保證副活塞在高溫高壓工況下能夠要持久工作必須對其進行冷卻，而且對燃燒室布置改變的不合理會導致放熱損失急劇增加，使得汽油機熱效率減

23、小。方案五：多連桿方式圖2-5 多連桿方式把連桿分為兩部分，改變兩者的夾角以實現改變連桿長度的目的，其配置方式有很多，日產公司開發的一款發動機采用在曲柄銷轉動部位擺動的杠桿的一端與連桿連接，而杠桿的另一端則采用與控制軸延伸出來的連桿相連接的構造。多連桿方式能夠很好的控制壓縮比的改變，操作簡單方便，改變壓縮比的范圍比較大，能夠提高發動機的燃油經濟性以及動力性。2.2 可變壓縮比機構選擇和確定由2.1的分析中可以知道，前四種方案（氣缸蓋活動方式、偏心襯套方式、可變活塞方式、燃燒室容積可變方式）的缺點都比較明顯，生產成本高，要求所生產的零件精度高，不利于大量生產和推廣，更換零件的費用也比較高，而且有

24、些還會降低發動機對的效率，從而降低發動機的經濟性，不利于可持續發展的方針和環保的概念。由此選定方案五為本設計的可變壓縮比機構類型，多連桿方式。多連桿方式是將連桿分成兩段，在加上一根操縱桿，通過操縱桿的移動控制，從而改變發動機的額壓縮比。通過多連桿方式控制壓縮比的改變，壓縮比的可變范圍廣，且操縱起來簡單方便，只需移動操縱桿，即可改變發動機的壓縮比。2.3 可變壓縮比機構設計機構圖如圖2-6。圖2-6 可變壓縮比機構圖這種機構將連桿分成兩段，桿1和桿2，即上連桿和下連桿，上下連桿通過連桿銷進行連接，通過移動操縱桿改變壓縮比。其中，OA為曲柄半徑，AB為桿1，BC為桿2，BD為操縱桿，EF為一根軸，

25、點E、F可在水平方向移動，滑塊D在軸EF上滑動，C點為活塞銷。這個機構由兩根連桿和一根操縱桿組成，且桿1與桿2的長度分別為80mm和130.7mm。操縱桿BD在D點為一滑塊，且這滑塊隨B點的運動沿一根軸上下滑動，D點的滑塊就起到了使操縱桿BD保持水平的作用。E、F點可在水平方向上移動，其中E、F同時往右邊移動，滑塊D也往右移動，操縱桿BD是不可伸縮的，所以B點也同時往右移動，且C點，即活塞銷，在水平方向上是不會有位移的，那么，B點的往右移動就會導致桿1AB、桿2BC的傾斜，A點與C點的相對距離就會減小，相當于連桿長度變短，從而壓縮比也會發生改變。這就是這個機構改變壓縮比的原理。3 主要零部件設

26、計原型機S195柴油機的連桿長度為210mm，壓縮比為20，在可變壓縮比機構中，上連桿與下連桿在一條直線上（即未拉動操縱桿）時，壓縮比應大于20，在操縱桿往右拉的過程中，壓縮比是逐漸減小的，操縱桿往右拉動10mm后，壓縮比為控制范圍的最小值，此時的壓縮比也應該不小于20。以上為已知條件，通過計算得出，上下連桿在一條直線上時長度為210.7mm最為合適。3.1 上連桿設計上連桿即為圖2-6中的桿2，它的作用是將作用在活塞上的氣體力傳遞至下連桿，即桿2。在上連桿的設計中需要考慮的有幾個方面：1）上連桿的長度；2）上連桿連桿銷孔的大小，即上連桿與下連桿連接處銷孔的大小。在設計上連桿的時候，需要考慮操

27、縱桿位置、缸套位置和活塞行程，因此，將上連桿的長度設計為130.7mm，連桿銷孔大小為直徑35mm（已加裝襯套）。受平衡重的限制，撥叉處的寬度為36mm。圖3-1 上連桿設計圖在連桿銷孔處，上連桿為撥叉形，其中寬度為36mm，叉的厚度為6mm，保證連桿運動沒有干涉。3.2 下連桿設計下連桿即為圖2-6中的桿1，其作用是將上連桿傳來的作用力傳遞到曲軸，是曲軸作旋轉運動，產生動力。下連桿中需設計下連桿長度，以及下連桿與上連桿連接處的厚度、形狀等。在可變壓縮比機構中上連桿長度為130.7mm，總長為210.7mm，所以設計的下連桿長度為80mm。設計下連桿與上連連接處的形狀，上連桿與下連桿連接處為撥

28、叉形，下連桿與上連桿配合，如圖3-2。圖3-2 下連桿設計圖由上圖可以看出，上連桿與下連桿連接后，仍有左右各4.5mm的空隙，這個空隙就是放置操縱桿連接處拔插的位置。3.3 連桿銷設計連桿銷，即上下連桿連接處和連接操縱桿的銷，作用是將上下連桿連接起來，讓作用力能夠從上連桿傳遞至下連桿，并能夠操縱壓縮比的改變。上下連桿與操縱桿連接處最大的厚度為36mm，所以將連桿銷的長度設計為36mm。連桿銷為管狀，上下連桿連接處的連接孔半徑為19.5mm，在連接時，還需要加裝一個厚度為2mm的襯套，所以連桿銷的外圓半徑為17.5mm，厚度為7.5mm，即連桿銷內圓半徑為10mm。圖3-3 連桿銷設計圖上圖為連

29、桿銷的設計圖。4 機構校核4.1 機構運動軌跡驗算如圖2-6，這個可變壓縮比機構主要運動點包括A、B、C、D四點，因此主要驗算這四點的運動軌跡。1）改變壓縮比之前，即B點未往右移動，與C點在同一豎直方向。 圖4-1 改變壓縮比之前各點運動軌跡圖 圖4-2 改變壓縮比之前幾個特殊位置由圖4.1和圖4.2可知，改變壓縮比之前，各機構之間沒有運動干涉。表4-1 改變前幾個特殊位置各點坐標角度弧度曲柄半徑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）改變壓縮比之后，即操縱桿

31、BD在桿EF的作用下往右移動。 圖4-3 改變壓縮比后各點運動軌跡 圖4-4 改變壓縮比后幾個特殊位置由圖4-3和圖4-4可知，改變壓縮比后各機構也沒有運動干涉。表4-2 改變后幾個特殊位置坐標角度弧度曲柄半徑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以上為可變壓縮比機構的軌跡驗算，詳見軌跡驗算。4.2 連桿銷校核連桿銷連接上下連桿，并且將上連桿的作用力傳遞到下連桿，因此對連桿銷的校核是很有必要的，利用AN

33、SYS 14.0的Workbench平臺對活塞進行校核。連桿銷的最大受力處在上止點時，即最大爆發壓力處。在校核連桿銷之前，需要對改變壓縮比后的新機進行工作過程計算，得到最大爆發壓力，從而計算最大的力。表4-3 新機的壓縮比 （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壓縮比22.4620.16新機的最大壓縮比為22.46，所以就以最大壓縮比22.46進行工作過程計算，得到最大的氣體壓力，即此時的連桿銷受到的力最大。圖4-5 新機的工作過程計算由圖4-5可知，最大壓力為88.92bar，換算成力為N。準備工作做完，下面就用A

34、NSYS 14.0的 Workbench平臺對連桿銷進行校核。4.2.1 有限元分析與ANSYS Workbench一、有限元概念現代工業正快速的發展，隨之帶動著生產技術不斷向前進步，高質量，高水品的大型、復雜機械以及精密儀器也在不斷的設計開發當中。為了降低開發成本并節約產品設計時間，人們需要通過有效的手段提前計算出所設計的機械機構在未來工作時將受到的應力，將發生的應變，以及其位移，強度，疲勞壽命的情況。但是傳統的計算理論很難對實際的工程機構的受力變形情況進行有效分析。因此，人們探尋出一種簡單有效而且具有很高精確度的數值計算方法，就是有限元法，其是一種能夠適應當前工程實踐需求的十分有效的數值計

35、算方法。有限元法思想可以追溯到20世紀40年代的R. Courant在求解扭轉問題時，提出的將面分成若干三角形區域，然后分別對各個三角區域定義函數，求解出近似解。而正式的提出“有限單元法”這個概念是在20世紀60年代，由波音公司的Turner, Clough等人分析飛機結構時采用分片小區域求解出平面應力的正確解答后，于其后的一篇論文上概括出來的。經過到現在_50年的發展，有限元法己經成為工程分析中使用最為廣泛的數值計算方法，同時也被很多工程師用于處理結構分析，流體和熱傳導等復雜問題中。伴隨著計算機科學和技術的迅猛發展，有限單元法受到了工程技術界的高度重視，并成為現今計算機輔助設計和制造技術的重

36、要組成部分。有限元法是一種基于變分原理發展起來的求解微分方程的數值計算方法，在確定一個數學模型的基本變量、基本方程、求解域以及邊界條件后，從而可以進行分析求解相應的物理模型。其基本思想可以概括為三個部分:首先，將能夠表示物體結構的求解域離散成若干互不重疊的子區域，稱這種區域為單元，子區域之間也僅通過節點相互連接，原始的邊界條件就成為新子區域的節點上的便捷條件，至此離散化過程完成。第二步就是在每個小單元內，選擇一種假設的近似函數來分片表示全求解域內待求位置因素的變量。其中每個單元內的近似函數可以用未知場函數在各個單元節點上的數值與對應的插值函數來表達。場函數可以被視為求解的基本未知量，并按彈性理

37、論中的能量原理或變分原理可以建立其單元節點和節點位移之間的函數關系。最后就可以進行計算，通過求解所有單元和位移的關系式集合起來形成的這個代數方程組，在計算機上可以將之表示成規范的矩陣形式，然后通過相應的數值求解方法來得到問題所需要的結果。在整個有限單元法分析過程中，可以知道，離散化為基礎，其對于單元網格的劃分形狀和數量并沒有限制，所以我們可以任意選擇單元形狀和數量，并且還可以在同一個物體上劃分出不同的網格形狀，最后的結果決定計算的精確性和計算所需要的時間等。在每個單元內假設出近似方程是有限元法的核心，單個的單元形狀由于簡單可以很方便的計算出逼近真實解的近似解，對于整個求解域，只要我們設定的單元

38、近似函數滿足收斂性要求，通過離散化出來越小的單元格計算出來的解的精度就會越高。對于有限元最后的計算方法，將是整個有限元分析的關鍵，其中涉及到矩陣表示和計算機求解。由于有限元方程的未知量以節點數和導數值來表示，一般工程問題都有成千上萬的節點數，所以未知量很多，所以必須通過矩陣表示來實現計算機的求解才能計算出最終結果。有限元法發展至今己經成為一種用途廣泛的數值計算方法，其具有鮮明的特點可以概述為以下幾個方面:1) 具有簡明的理論基礎，適用于各種復雜幾何模型。因為有限元法就是以幾何離散和分片插值為基本思想，離散出若干單元來逼近幾何原型;同時使用近似函數法來逼近單元內的真實解;最后利用等效變分理論建立

39、基本方程，使其具有明顯的物理意義。2) 具有通用的計算方法，能夠適應各種物理問題。如今有限元計算不光可以成功處理應力分析中常見的非均勻材料以及各向異性材料問題，還可以解決非線性應力應變和復雜邊界條件這些難題。同時隨著理論基礎的不斷進步和發展，還可以對熱傳導，流體力學等這些非線性問題進行求解，有限元法在理論上對于一切可以用微分方程描述的物理問題都能求解。3) 具有嚴格理論基礎，可以處理各種復雜邊界，且具有高的可靠性。由于有限元理論離散化時并不限制單元的形狀必須規則，而是可以任意選取，單元大小也同樣是可以隨意選擇的，同時可以將不同單元形狀的網格進行組合，按照其求解準則只要單元是滿足收斂的就能夠求出

40、解來，因此可以通過選擇單元形狀和數量來控制計算的精度。4) 計算格式非常規范，這就有利于實現計算機程序化計算。因為廣泛應用到矩陣方法，矩陣的特點就是把繁雜的代數方程變成非常簡潔緊湊的數學形式，這樣將有利于計算機存儲和識別，這樣就可以靠計算機程序來進行這些復雜龐大的計算。我們在用有限元法進行分析時根據上面的特點介紹，主要也是按三大步驟來進行的，分別是結構的離散化、單元分析以及整體分析。其簡單介紹如下:A、結構離散化。進行結構離散是有限元法的基礎，所以我們在進行有限元計算時，首先是對要研究的物體模型進行單元網格的劃分，可以使用有限元軟件自帶的劃分工具進行自動劃分，選擇不同的單元格形狀和數量將對之后

41、的計算結果的精確性帶來實質的影響。當然有些零件由于表面邊界比較復雜，自動劃分網格會失敗，這時我們就可以選擇專門的網格劃分軟件來對原件進行劃分。網格劃分好后，這時的有限元計算其實只是對相同材料的子單元進行一一計算，結果的準確性取決于網格的形狀和數量。B、網格劃分好后就是進行單元分析。首先是選擇位移函數，就是每個單元上物理量的變化規律的近似函數表達。通過插值可以表示出單元內任意一點的位移。根據數學理論，總可以用一個多項式來定義一個閉區域內的函數，并且多項式計算較簡單，所以位移函數采用的是多項式。對于計算結果，多項式項數越多，也就更加逼近真實位移，計算的結果就將更精確。之后我們就可以建立單元平衡方程

42、，按照彈性力學相關方程知識導出應變和應力表達式，通過節點力與位移的關系建立出平衡方程，這個方程也可稱為剛度方程，其系數矩陣稱為單元剛度矩陣，由式4-1表示: 公式(4-1)式中角標e為單元編號; 為單元的節點位移; 為單元的節點力向量; 為單元剛度矩陣。有了單元平衡方程后就可以計算等效節點力，是將作用在單元邊界的表面力，集中力以及體積力都等效移動到節點上去，就可以將等效節點力來代替所有作用在單元上的力。C、最后就是進行整體計算，建立整體平衡方程，有限元分析按照先分后合的過程進行，之前是建立了各個單元節點的方程，這時就將這些方程集合起來，就成為了有限元位移基本方程，形成的整體方程如式4-2所示。

43、 公式(4-2)式中，k為整體結構的剛度矩陣; 為整體節點位移向量;F為整體載荷向量。之后就將邊界條件引入，這樣整體方程就具有了位移解，從而通過計算機程序化計算就可以求出所設計部件的應力應變和強度情況。二、ANSYS14.0簡介ANSYS軟件是如今應用非常廣泛的有限元分析軟件，它是由美國的ANSYS公司開發。ANSYS公司是于1970年在美國賓夕法尼亞州的匹茲堡由著名的力學專家，匹茲堡大學教授，有限元法權威John Swanson博士建立的，目前也是世界上最大的CAE行業公司之一。ANSYS軟件集合了結構，流體，熱，電磁，聲學于一體的有限元分析軟件。具有功能非常完備的前處理和后處理器使得ANS

44、YS的使用異常的方便，并且還具有許多得心應手的實用工具以及強大的圖形處理能力，使得用戶能輕松快捷的進行操作，集成的多平臺解決方案清晰明了，能夠對ANSYS的所有功能應用自如。ANSYS軟件具有多樣的分析能力，包括最簡單的線性靜態分析以及一些復雜的非線性動態分析，用戶可以使用ANSYS來對結構、流體、電力、電磁場以及碰撞等問題進行分析計算。它主要是由前處理部分，求解器，后處理模塊和優化模塊組成，將有限元分析和計算機以及工程優化方法結合起來，成為了現如今解決工程學術問題所不可或缺的工具。ANSYS軟件最初誕生時和現在的版本界面相比有很大不同，那時它僅僅提供了線性結構的分析和熱分析，而且只有在大型計

45、算機上才能使用和進行計算。后來隨著電子計算機技術的蓬勃發展，到了20世紀70年代初加入了非線性和子結構等功能;到了20世紀70年代末，圖形技術和交互操作也被應用于ANSYS軟件之中，這時的ANSYS進入了一個全新和快速發展的時期。隨著近代分析技術的發展，ANSYS也融合了許多新的設計分析概念和方法，這對ANSYS在之后的迅速普及起到了決定性的作用。經過40年的發展，現在的ANSYS不僅功能日益豐富和完善，其求解的速度也是越來越快，并且求解規模也變得越來越大，還具有非常友好的操作界面，操作輸入都非常簡潔明快，使用越來越方便，成為國內外工程技術人員比較歡迎的產品。到目前為止，ANSYS軟件在航空航

46、天、汽車交通、土木歸納過程、機械制造、鐵路建設、石油化工、國防軍工、核工業、造船、電子、生物醫學、水利水電、日用家電等行業以及科學研究中得到非常廣泛的應用。它可以與很多CAD軟件互相實現數據交換和共享體內各國它自身的各種接口，如PRO/Engineer, AutoCAD, UG等，成為了現代產品開發設計的重要CAD工具之一。 ANSYS軟件發展到現在的14.0版本，己經具有了一個日益被人們所熟悉的客戶化開發平臺，ANSYS Workbench，這個平臺最早出現在ANSYS 10.0版本發行的時候，到如今經歷了五代的發展，其功能和使用性得到了快速的發展。ANSYS公司長期以來都在給用戶提供成熟的

47、CAE產品，到ANSYS 10.0發布的時候，決定對自己的CAE軟件產品進行拆散，形成各個組件。公司不僅僅提供非客戶整合的、成熟的產品，同時也提供給客戶軟件的組件(API，基于MSCOM技術)。這樣用戶在使用的時候可以依據自身的實際情況，按需將這些拆分了的技術進行重新組合，并且可以組合成具有自己自主知識產權的技術，成為一個既可以滿足自身分析所必須的功能的，同時又具有很多個性化因素的軟件產品。Workbench就是專門為了客戶組合這些組件而設計的技術平臺。Workbench就是ANSYS公司所提出的協同仿真環境概念的軟件支持平臺。ANSYS公司對于這款產品提出了一些觀點:保持核心技術多樣化的同時

48、，建立協同仿真環境。其實這款產品也是為了面對制造業信息化大潮、仿真軟件生產商的各種競爭而專門設計開發的，其與傳統ANSYS軟件的對比主要從以下幾點說明:1) Workbench更像PDM那樣，利用了與仿真相關的API，用戶可以根據自己產品的研發流程特點開發實施從而形成仿真環境，并且用戶可以自主研發API,與ANSYS軟件自身己有的API是平等的。這個特點就可以被稱為“實施性”。2) Workbench是一個集成平臺，其中最關鍵的是可以集成各種第三方開發的求解器，在Workbench里面求解器被看成為一個組件，其支持無論哪家CAE公司提供的求解器，并且都是平等的關系，用戶在使用Workbench

49、的時候經過對這些求解器的簡單開發就都能夠被直接調用。3) Workbench與CAD系統有著不同尋常的關系，用戶在使用Workbench的時候不僅可以直接使用異構CAD系統來進行建模，而且可以建立起與CAD系統的靈活的雙向參數互動關系。通過以上的這些不同點，Workbench提供給了用戶一個更加自由的分析和計算環境，使得用戶可以自由選擇各種層級的計算模型和求解器對通過CAD系統建立的模型進行仿真計算，并且通過Workbench界面可以直觀的看到計算的結果。如果用戶對計算結果不滿，就可以修改相應參數進行重新的計算，直到獲得滿意結果。而這些滿意的設計參數將通過Workbench平臺和CAD系統進行

50、雙向的互動信息交換，優化的設計參數可以回到最后CAD模型中，生成用戶需要的設計方案。4.2.2 建立連桿銷模型本次連桿銷的校核是利用ANSYS14.0中Workbench平臺進行的。建立連桿銷的模型，長36mm，外徑35mm，內徑20mm。由于需要考慮后面加載，所以需要將連桿銷分段建模。首先將內圓和外圓畫出，拉伸，拉伸長度為6mm，拉伸結果如圖4-6。圖4-6 拉伸長度6mm在拉伸的面上建立一個新的坐標系，并且加上一個切片，將先后拉伸的面分開，方便后面加載分析。拉伸面，拉伸長度為4.5mm，如圖4-7。圖4-7 加入切片并拉伸4.5mm依照上面的步驟，建立新坐標系，加入切片并拉伸，此次拉伸長度

51、為15mm。圖4-8 拉伸長度15mm加入新坐標并加入切片，拉伸長度為4.5mm。圖4-9 拉伸4.5mm再加入新坐標并加入切片，此次拉伸長度為6mm。圖4-10 拉伸6mm如圖4-10，連桿銷的建模完成。4.2.3 網格劃分AYSYS程序提供了使用便捷、高質量的對模型進行網格劃分的功能。網格的劃分是有限元計算中的關鍵步驟，網格劃分對于計算是否合理影響很大，網格數目的多少直接影響計算的精度和復雜程度。網格劃分分為兩種：自由網格劃分和映射網格劃分。在劃分網格之前，確定網格劃分的方式是十分重要的。映射網格對包含的單元形狀有限制，而且必須滿足特定規則。與映射網格相比，自由網格對于單元形狀沒有限制，并

52、且沒有特別的準則。故本文采用自由網格劃分方式，劃分選Fine。圖4-11 網格劃分4.2.4 材料定義材料參數也是影響計算結果的重要參數。連桿銷的材料選擇15Cr。15Cr的彈性模量為210GPa，泊松比為0.314.2.5 加約束及載荷在X、Y方向施加自由度約束。根據工作過程計算的結果，最大壓力為N，在最左邊和最右邊的兩個拉伸體上施加載荷，都為N。至此，施加的約束和載荷都與實際相近，施加約束和載荷完畢。4.2.6 結果與分析以上已經完成連桿銷的建模、網格劃分、材料定義以及施加約束和載荷，可以進行計算與分析。圖4-12 連桿銷形變圖圖4-12為連桿銷的形變圖，從圖中可以看出，連桿銷的最大形變為

53、0.015mm，在材料允許的形變范圍內。圖4-13連桿銷應力分布從圖上可以看出，連桿銷的最大應力為484.32MPa,滿足材料的許用應力。從以上的校核中可以看出，材料為15Cr的連桿銷符合使用條件，在使用中是可靠的。5 結論與展望5.1 結論本文是以S195柴油機為原型并在其基礎上進行了設計改動，為了達到壓縮比可變的目的，設計的一種多連桿可變壓縮比機構，改變了原機的連桿。對新機的關鍵零部件連桿銷的形變、受力進行了有限元分析，驗證設計的合理性。可變壓縮比技術室改善發動機整機性能的一項重要手段，一直以來受到內燃機科技工作者的廣泛關注，目前仍然是車輛發展的趨勢之一。本文針對多連桿可變壓縮比機構，對其

54、進行了研究，具體完成了以下幾個方面的工作： A、可變壓縮比技術方案的確定總結前人的設計經驗，比較了現有的各種可變壓縮比方案，首先拋棄了燃燒室容積可變方式，因為這種方式對熱效率影響很大并且易產生密封問題;偏心移位方式適用性有限，與配套裝置有兼容性問題;氣缸蓋活動方式占用空間大，消耗的機械能也多。因此，以壓多連桿的可變壓縮比方案為研究對象。 B、多連桿機構設計設計的核心就是各連桿長度及操縱方式，連桿長度分配不均將導致壓縮比的不可控和各桿之間運動的干涉，因此選上下連桿長度分別為130.7mm和80mm，此時最大的壓縮比為22.46，操縱方式選取拉桿方式，這種操縱方式的優點是操縱簡單方便。C、可變壓縮

55、比機構運動分析 通過對多連桿機構各桿之間的運動分析，得出本機構的可動性，且各桿之間的運動互不干涉，能夠實現壓縮比可變的目的。D、對多連桿重要零部件進行設計設計了上下連桿和連桿銷，實現壓縮比可變。E、對連桿銷用有限元進行分析連桿銷是連接上下連桿，并將力從上連桿傳遞至下連桿的樞紐，是很重要的零部件，因此對連桿銷的校核是非常有必要的。利用ANSYS14.0對連桿銷進行校核。根據以上步驟，得到以下結論：a、可變壓縮比技術可以大大改善發動機的動力性、燃油經濟性和排放性，能夠適應發動機新的要求；b、新機采用多連桿設計之后，相比原機的單一連桿機構具有更好的運動特性，改善新機的燃燒效率，提高新機的功率和扭矩。

56、c、本文設計的這種多連桿機構能夠改變壓縮比，是壓縮比能在20.1622.46之間，并且各桿之間不存在運動干涉；d、結合有限元軟件ANSYS Workbench，對連桿銷進行了校核，雖然對原型機的連桿結構作了調整，但其強度仍然滿足設計要求。5.2 展望通過本文的研究步驟，基本完成對一款發動機關鍵機構的設計要求，但是由于自身研究時間和條件的限制，仍然還有需要進一步完善的地方：A、由于新機采用了多連桿結構，所以總體不平衡質量增加，使得整機受到的激振力相比原機變大，所以必須設計一套平衡系統來平衡新機的不平衡力。B、由于新機具有多連桿結果以及可變壓縮比結構，起運動規律變得相當復雜，新機機構的運動特性和受力特性還需進一步研究；C、設計完成之后，應該在