连杆的三维设计及公差分析

连杆的三维设计及公差分析

作者:陶善保指导老师:孔晓玲

(安徽农业大学工学院 07机制合肥 230036)

摘要:连杆是发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求其具有较高的配合精度。因而连杆的设计成了生产中频繁而又不可缺少的环节。首先由老师给定连杆二维图，然后对应图纸用CATIA软件画出连杆的各个零件三维图。然后熟悉课本对公差分析的介绍，利用极值公差法对连杆进行公差分析，得出配合精度，确定连杆组件的配合情况。毕业设计在复习以前所学知识的基础上，也使我获得了很多新的知识，同时对画图软件的操作也有了进一步的熟练。本设计是由连杆的三维设计及对连杆零部件和连杆组件公差分析所组成。使用CATIA 进行三维设计，用极值法进行公差分析。

关键词：连杆公差分析公差尺寸链

1 引言

连杆是发动机的主要传力构件之一，常处于高速运动状态，因此要求其具有较高的配合精度。因而连杆的设计成了生产中频繁而又不可缺少的环节。对于连杆的三维设计软件我使用的是CATIA，CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。本设计中我使用的是V5版本。

对连杆的组成零件及装配进行公差分析，即公差分析可分为零件层的公差分析和装配层的公差分析，进而确定连杆的配合情况，检验设计的可行性。本设计中采用极值法，得到连杆的尺寸链通过计算确定配合，进行公差分析。

2 连杆的三维设计

2.1 课题介绍

指导老师按要求给我连杆的二维图（如下图），然后要求我使用CATIA画出相应的三维图，进行连杆的三维设计。然后对二维图上的尺寸通过尺寸链进行分析，即进行公差分析。最后要对装配尺寸链进行分析，确定装配能不能达到。如下是连杆的二维图。

连杆总成

连杆体

大头盖

上图是连杆的总成图，从上图中我们可以看到连杆是由连杆体，大头盖及螺钉螺栓等组成，并在上图中看到了配合的公差要求。对连杆有了初步的了解，有了以后研究的大致方向。并且在老师的指导和同学的帮助下,可以顺利的进行每一个环节的画图计算。

对于上图，可从图中看到多是圆弧及直线，同时也有曲线我们在大学的学习是使用的也是CATIA软件，但是由于是较早学习的，所以经历了一些时间后对软件的使用方法及各项功能都产生了一定的模糊。所以首先是要对图进行了解，就是要看懂图，在头脑中形成连杆的三维构型，这样画图的时候才能事半功倍，才能画出正确的图形。

我首先从以前的上课中的书本知识开始学习，先花了点时间利用CATIA软件画出了一些基本的东西，比如：五角星、榔头、轴承座、减速箱等等。熟悉了软件后，再看连杆图。认真了解图以及图上的标注，并结合《公差与测量技术》和《机械制图》进行理解。了解图中的形位公差，以及极限偏差，利用《机械制造工艺学》中的公差分析方法，初步了解公差分析。在后面对连杆进行公差分析的时候我会再详细点的介绍有关知识。

2.2 连杆体及大头盖的三维设计

在CATIA中建立草图绘制，按照连杆的外形绘制如下草图。为了保证打印的效果所以把背景颜色调成了白色。

进行连杆外形草图绘制，在绘制草图的时候当图形中所有的线都变成绿色的时候，此时表示图形中各个尺寸都约束完全。如有白色线条表示约束不完全，需对图形中的白色线条再约束，直到线条都变成绿色后，表示约束完全。白色线条也不表示错误，只是线条可以移动不稳定，容易引起错误。另外，图上的圆圈以及接触地方的标记表示草图在此位置出现了约束。对画好的二维草图通过拉伸、凹槽、倒角等等操作画出初步三维连杆外形图（如下图），然后再画出连杆的大头和小头，得到连杆图（如下图）。对连杆进行颜色调节，以便在后期进行区分而且在视觉效果上也舒服。

然后使用“分割”对上图进行分割，分别调节箭头的方向得到连杆体和大头盖图

然后再对上面的连杆体及大头盖的图，按照图纸要求进行打通孔，倒角，凹槽画出除油槽，以及在大头盖上画出进行进一步的处理得到连杆的组件连杆体及大头盖（见下图）。

画出螺钉、螺母和垫圈

2.4 装配图绘制

此时连杆的零件图已完成，现在就是要对上图中零件图进行装配，得到装配

图。

个，螺钉、螺母和垫圈各两个。然后进行面、中心线等约束完成装配，如下图所

示。

至此由给定的连杆二维图设计画三维图，即连杆的三维设计已完成。

3 连杆的公差分析

3.1 基本概念介绍

3.1.1 公差

尺寸公差简称公差，是指在切削加工中零件尺寸允许的变动量。在基本尺寸相同的情况下，尺寸公差愈小，则尺寸精度愈高。尺寸公差等于最大极限尺寸与最小极限尺寸之差，或等于上偏差与下偏差之差。

例如：上图中连杆体的大头孔和小头孔的尺寸为05

168

.0

1、基本尺寸设计给定的尺寸：168mm

2、极限尺寸允许尺寸变动的两个极限值：

最大极限尺寸=168+0.05=168.05mm

最小极限尺寸=168-0.05=167.95mm

3、极限偏差极限尺寸减基本尺寸所得的代数值。即最大极限尺寸和最小极限尺寸减基本尺寸所得的代数差，分别为上偏差和下偏差，统称极限偏差。孔的上、下偏差分别用大写字母ES和EI表示:

上偏差 ES=168.05-168=+0.05

下偏差 EI=167.95-168=-0.05

4、尺寸公差允许尺寸的变动量，即最大极限尺寸减最小极限尺寸，也等于上偏差减下偏差所得的代数差。

尺寸公差是一个没有符号的绝对值。

公差：168.05-167.95=0.1

或 0.05-(-0.05)=0.1

3.1.2 配合

基本尺寸相同且相互结合的孔和轴公差带之间的关系称为配合。根据孔和轴公差带之间的不同关系，可将配合分为间隙配合、过盈配合和过渡配合三种。

（1）间隙配合

具有间隙（包括最小间隙等于零）的配合称为间隙配合。此时，孔的公差带在轴的公差带之上。

由于孔、轴的实际尺寸允许在各自的公差带内变动，所以孔、轴配合的间隙也是变动的。当孔为最大极限尺寸而轴为最小极限尺寸时，装配后的孔、轴为最松的配合状态，称为最大间隙Xmax ；当孔为最小极限尺寸而轴为最大极限尺寸时，装配后的孔、轴为最紧的配合状态，称为最小间隙Xmin 。即： ei ES d D X -=-=m in max max

es EI d D X -=-=max min min

（2）过盈配合

具有过盈（包括最小过盈等于零）的配合称为过盈配合。此时，孔的公差带在轴的公差带之下。

在过盈配合中，孔的最大极限尺寸减轴的最小极限尺寸所得的差值为最小过盈Ymin ，是孔、轴配合的最松状态；孔的最小极限尺寸减轴的最大极限尺寸所得的差值为最大过盈Ymax ，是孔、轴配合的最紧状态。

es EI d D Y -=-=max min max

ei ES d D Y -=-=min max min

（3）过渡配合

可能具有间隙或过盈的配合称为过渡配合。此时，孔的公差带与轴的公差带交叠,孔的最大极限尺寸减轴的最小极限尺寸所得的差值为最大间隙Xmax ，是孔、轴配合的最松状态；孔的最小极限尺寸减轴的最大极限尺寸所得的差值为最大过盈Ymax ，是孔、轴配合的最紧状态。

公差带

公差带是指在公差它是由公差大小和其相对零线的位置，如基本偏差来确定的。带图解中，由代表上偏差和下偏差或最大极限尺寸和最小极限尺寸的两条直线所限定的一个区域。

3.1.3 尺寸链

尺寸链

尺寸链（dimensional chain ），在零件加工或机器装配过程中，由互相联系的尺寸按一定顺序首尾相接排列而成的封闭尺寸组。组成尺寸链的各个尺寸称为尺寸链的环。其中，在装配或加工过程最终被间接保证精度的尺寸称为封闭环，其余尺寸称为组成环。组成环可根据其对封闭环的影响性质分为增环和减环。若其他尺寸不变，那些本身增大而封闭环也增大的尺寸称为增环，那些本身增大而封闭环减小的尺寸则称为减环。

尺寸链的基本术语

1.尺寸链——在机器装配或零件加工过程中，由相互连接的尺寸形成封闭的尺寸组，称为尺寸链。间隙A0与其它尺寸连接成的封闭尺寸组，形成尺寸链。

2.环——列入尺寸链中的每一个尺寸称为环,A0、A1、A2、A3……都是环。长度环用大写斜体拉丁字母A，B，C……表示；角度环用小写斜体希腊字母α，β等表示。

3.封闭环——尺寸链中在装配过程或加工过程后自然形成的一环，称为封闭环。封闭环的下角标“0”表示。

4.组成环——尺寸链中对封闭环有影响的全部环，称为组成环。组成环的下角标用阿拉伯数字表示，如A1、A2、A3……。

5.增环——尺寸链中某一类组成环，由于该类组成环的变动引起封闭环同向变动，该组成环为增环。如上图中的A3。

6.减环——尺寸链中某一类组成环，由于该类组成环的变动引起封闭环的反向变动，该类组成环为减环。

装配尺寸链与零件尺寸链

①装配尺寸链——全部组成环为不同零件设计尺寸所形成的尺寸链 ②零件尺寸链——全部组成环为同一零件设计尺寸所形成的尺寸链 装配尺寸链与零件尺寸链统称为设计尺寸链。

增、减环的第二种判别法——按箭头方向判断：

封闭环A0，在每个组成环符号A1、A2、A3、（或B1、B2、B3……）上各画一箭头，使所画各箭头依次彼此头尾相连，组成环中箭头与封闭环箭头方向相同者为减环，相反者为增环。按此方法可以判定： A1、A2为减环； A3为增环。

3.2 公差分析方法

公差分析采用的三种主要方法为：极值公差法、概率公差法和仿真方法。这里我主要用的是学习中常用的极值法。现介绍极值法有关内容如下。

极值法是根据完全互换的要求所决定的计算方法，即在大批量生产的条件，只要各组成环的误差控制在所要求的公差带内，就可以保证零件百分百地合格。极值法，也叫最差情况法，分析的重点是公差范围的变化。如同公差累积，组合尺寸的变动范围是由个别尺寸的最大变动和最小变动加总而来。在最差情况下，导出尺寸的公差范围是各个独立尺寸公差之和，即在建立好的一条尺寸链上保证各环(尺寸)公差均向一个方向上累积．也仍然满足封闭环的装配及功能要求。封闭环的误差是按各组成环的最坏的情况时考虑的，如组成环的增环为最大极限尺寸时，其减环为最小极限尺寸，或反之。因此极值法计算公式如下：

01

m

j i ij ij ij i A A A A ξ===∑-∑∑ 0max

max min i i A A A =∑-∑ 0min min max i i A A A =∑-∑

0i i ESA ES A EI A =∑-∑

0i i EIA EI A ES A =∑-∑

01m

i i TA TA ==∑

式中

0j A 、0max A 和0min A ——封闭环的基本尺寸、最大极限尺寸和最小极限尺寸； ij A 、max i A 和min i A ——组成环中增环的基本尺寸、最大极限尺寸和最小极限尺寸； ij A 、max i A 和min i A ——组成环中减环的基本尺寸、最大极限尺寸和最小极限尺寸； 0E S A 、i ES A 和i ES A ——封闭环、增环和减环的上偏差； 0E I A 、i EI A 和i EI A ——封闭环、增环和减环的下偏差； 0TA 、i TA ——封闭环、组成环的公差；

m ——尺寸链中的组成环数；

i ξ ——传递系数，对直线尺寸链中的增环i ξ=+1，减环i ξ=-1。

现举例如下，如图中尺寸链，已知尺寸：

0.1

01 4.7A =mm 、

260.1A =±mm 、316.50.05A =±mm 。求尺寸0A 的基本尺寸及公差。尺寸链关系如图所示：

解：由上公式可得：

031216.5 4.76 5.8A A A A =--=--=

()03120.0500.10.15ESA ESA EIA EIA =--=---=

03120.050.10.10.25EIA EIA ESA ESA =--=---=-

所以计算结果为：0.150.250 5.8A +

-=mm

3.3 零件尺寸链分析

3.3.1 连杆体尺寸链

上图为连杆体的二维图,找到图中的尺寸以及基准。对图中的公差进行分析，每个尺寸链中都要带有基准，形成个封闭的尺寸链，最后得到封闭环0

A的尺寸。上图中有的尺寸是难以测量的，在尺寸链中就可以将这些难以测量的尺寸转化为封闭环0

A的尺寸，即为一些容易测量的尺寸，或是更有意义的尺寸。

下图为对上图连杆体提取的一些尺寸形成的尺寸链，封闭环0

A用红色标注

线表示出来，如下图所示：

对尺寸链进行分析如下

上图中尺寸链-01大、小头中心孔距离1680.05

不容易测量，而所求得的封闭环尺寸0

A为大、小头圆柱外圆柱母线，这个尺寸容易测量。

3.3.2 大头盖尺寸链

大头盖尺寸链图

对尺寸链分析如下

3.4 装配尺寸链

装配尺寸图

此为最后的装配图,找到和装配配合有关的尺寸,多是和两接触面有关的尺寸,能得到零件的配合情况。对相关尺寸得到装配尺寸链图如下图所示：

此时尺寸链-01中尺寸1680.05±为连杆体中尺寸即连杆大小头孔的中心线距离，封闭环01680.025A =±尺寸在1680.05±尺寸中间，所以无法保证装配后大头盖的上母线与连杆体的小中心孔轴线的距离为01680.025A =±。 对于尺寸链-02分析如下：

所以得到增环128A =mm ，由以上计算得该尺寸可为27.90.25±mm ，所以可以知道此时大头盖与连杆体的内圆母线尺寸0

0.015056A -=可以装配获得。

结论

本课题主要针对连杆进行三维设计以及对其进行公差分析。由于我个人对于画图软件，例如：AutoCAD 、CATIA,应用不是很娴熟，所以在进行三维设计的时候画的时间比较长。还有对于公差分析这一部分来说，在阅读了大量的相关资料之后，才了解了公差分析的原理及方法等等。对整个课题的研究过程和最后研究结论总结如下：

（1）熟悉了以前学习的画图软件AutoCAD 、CATIA ，应用AutoCAD 画出了连杆的二维图以及用CATIA 画出了连杆的三维图，完成了给定图纸进行连杆的三维设计。

（2）从学习课本以及网上了解了公差分析的原理及分析方法，并应用极值公差法对课题连杆进行尺寸链分析，先分析零件尺寸链然后分析装配尺寸链，确定最后连杆的配合情况。

致谢

在毕业设计即将结束之际，是一件值得很庆幸的好事，在学院领导、指导老师以及同学的指导和帮助下圆满的完成了毕业设计。同时也不知道用什么样的词句来形容此时此刻的心情，我想没有他们的帮助，毕业设计就不会做得这么顺利，我在这儿只有向所有帮助过我的领导、老师和同学说一声：你们辛苦了，谢谢！

毕业设计是每位毕业生对四年的大学所学知识的一个总括，也是对大学所学知识的一次自我考核，使自己能够正确认识自己，给自己一个合理的定位。同时也能够让我们在复习以前所学知识的基础上学习到很多新的东西，对我们在以后事业的发展以及接受新事物的能力方面有很大的提高。我们这次毕业设计是由孔晓玲老师指导完成的。在做的过程中也遇到了不少的问题，孔晓玲老师给了我们许多关怀和帮助，并且随时询问我们毕业设计的进展情况，严格要求我们的同时也细心的指导我们。

通过这次毕业设计，我们对所研究的题目内容、相关原理及实际中的运用有了比较深入的了解，让知识变的更加的清晰了。同时掌握了相关资料的查询的方法，培养了我们独立的学习能力，解决问题的能力并且拓展了知识面。

最后在毕业设计完成之际，我再次感谢对我指导、关心和帮助过领导、老师及同学。谢谢了！

参考文献

1 孔晓玲.公差与测量技术.北京:北京大学出版社,2009.8

2 郭艳玲,李彦蓉.机械制造工艺学.北京:北京大学出版社,2008.8

3 江洪,李仲兴,陆利锋.CATIA基础教程.北京:机械工业出版社,2005.11

4 大连理工大学工程图学教研室.机械制图.北京:高等教育出版社,2007.7

5 HAMILTON H.,Fred O.,Mechanisms and dynamics of machinery,New York,1957

6 ZHENG-DONG MA,NOEL.C. PERKINS.An Effcient Multi-body Dynamics Model for Internal Combustion Engine Systems.Multi-body System Dynamics,2003.9

7 Z.P.Mourelators,Efficient Crankshaft Dynamic Analysis Substructure with Ritz Vectors.Journal of Sound an Vibration,2002.3

Title Connecting rod three dimensional design and common difference analysis

Abstract

The connecting rod is one of engine main power transmission components, often is at the high speed state of motion, therefore requests it to have the high grade of fit.Thus in connecting rod design production frequent and essential link.First assigns the connecting rod two dimensional plot by teacher, then the corresponding blueprint draws the connecting rod with the CATIA software each components graphic model.Then the familiar textbook to the common difference analysis introduction, carries on the common difference analysis using the extreme value common difference law to the connecting rod, obtains the grade of fit, definite connecting rod module coordinate situation.Graduation project in review before studies the knowledge in the foundation, also caused me to obtain very many new knowledge, simultaneously to drew the software the operation also to have further skilled.This design is composed by the connecting rod three dimensional design and to the connecting rod spare part and the connecting rod module common difference https://www.360docs.net/doc/3f15032219.html,es CATIA to carry on the three dimensional design, carries on the common difference analysis with the extreme value law.

Keywords Connecting rod Common difference analysis Common difference Size chain