发动机曲轴结构设计

第I页共II页目录1绪论..................................................................11.1本课题的目的及意义..................................................11.2国内外研究的现状与发展趋势..........................................11.2.1曲轴结构设计的发展................................................11.2.2曲轴强度计算发展..................................................21.3有限元分析..........................................................321015柴油机曲轴结构设计................................................42.1曲轴的结构..........................................................42.2曲轴的疲劳损坏形式..................................................52.2.1弯曲疲劳裂纹......................................................62.2.2扭转疲劳裂纹......................................................62.2.3弯曲--扭转疲劳裂纹................................................62.3曲轴的设计要求......................................................72.4曲轴的结构型式......................................................72.5曲轴的材料..........................................................82.6曲轴的主要部件设计..................................................82.6.1主轴颈和曲柄销....................................................82.6.2曲柄臂............................................................92.6.3曲轴圆角.........................................................102.6.4润滑油道.........................................................112.6.5平衡重...........................................................122.6.6曲轴两端和轴向止推...............................................122.6.7曲轴的强化.......................................................132.7曲轴的强度校核.....................................................142.7.1曲柄销应力.......................................................142.7.2圆角形状系数.....................................................172.7.3安全系数.........................................................19第II页共II页3有限元分析...........................................................213.1ANSYS软件介绍......................................................213.2整体曲轴有限元模型的建立...........................................223.2.1有限元网格的划分.................................................223.2.2载荷状况的确定...................................................223.3曲轴整体模型计算结果分析...........................................243.3.1压应力分析.......................................................243.3.2拉应力分析.......................................................253.4疲劳强度校核.......................................................263.5结论...............................................................264总结.................................................................26参考文献................................................................28致谢....................................................................32第1页共32页1绪论1.1本课题的目的及意义柴油机与汽油机相比其燃料、可燃混合气的形成以及点火方式都不相同，而柴油机采用压缩空气的办法提高空气温度【1】，因此柴油机的功率更大、经济性能更好，这也导致柴油机工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高【2】，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。因而柴油发动机一般用于大、中型载重货车上【3】。曲轴是发动机的关键零件，其尺寸与内燃机整体尺寸和重量有很大关系，如曲柄销直径直接影响连杆大端尺寸和重量，后者又影响曲轴箱宽度，曲轴单位曲柄长度影响内燃机总长度，曲轴尺寸大小在很大程度上影响着发动机的外形尺寸和重量。曲轴是内燃机曲柄连杆机构的主要组成部分、三大运动件之一，是主要传力件。它的功用是把气缸中所作的功，通过活塞连杆汇总后以旋转运动形式输出。此外，曲轴还传动保证内燃机正常工作需要的机构和系统附件(如配气机构、燃油泵、水泵、润滑油泵等)，因此曲轴工作的可靠性和寿命在很大程度上影响内燃机工作的可靠性和寿命。【4】。曲轴的工作情况及其复杂，基本工作载荷是弯曲载荷和扭转载荷；对内不平衡的发动机曲轴还承受内弯矩和剪力；未采取扭转振动减振措施的曲轴还可能作用着幅值较大的扭转振动弹性力矩。这些载荷都是交变性的，可能引起曲轴疲劳失效。曲轴的破坏事故可能引起其它零件的严重损坏。曲轴又是一根连续曲梁，结构形状复杂，刚性差，材质要求严，制造要求高，是内燃机造价最贵的机件。随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加严酷了【5】，必须在设计上正确选择曲轴的结构形式，并根据设计要求选择合理的尺寸、合适的材料与恰当的工艺，以求获得满意的技术经济效果【6】。由以上所述可以看出曲轴设计的重要性。1.2国内外研究的现状与发展趋势1.2.1曲轴结构设计的发展曲轴结构设计在过去的几十年中得到了飞速的发展。在曲轴的设计初期一般是按照已有的经验公式计算或者与已有的曲轴进行类比设计【7】。在进行了初步的设计后造出曲轴样品再进行试验，通过实验数据进行适当的改进【8】。曲轴设计发展到今天已经有了很第2页共32页大的发展。随着内燃机向高可靠性、高紧凑性、高经济性的不断发展，传统的以经验、试凑、定性为主要设计内容的设计方法已经不能满足要求，而随着电子计算机技术的不断发展，内燃机及其零部件的设计已经发展到采用包括有限元法、优化设计、动态设计等现代先进设计技术在内的计算机分析、预测和模拟阶段【9】。有限元法是最有效的数值计算方法之一，它使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一步。有限元法在曲轴的设计计算中有广泛的应用。常见的是用以计算单拐曲铀在受弯、扭时各过渡圆角及油孔处的应力分布；也常用来计算曲柄在受弯或扭时的变形或刚度；偶尔也见用于曲轴连续梁的计算，用以计算支座反力、支座弯矩及曲拐上的名义应力【10】。根据不同计算目的，在选择计算模型及进行网格划分时，也有不同的考虑。例如在计算受法向力载荷下的弯曲应力时，多选用三维模型，且在圆角等应力集中产重处采用细密的网格划分；只有在作定性分析或作圆角方案对比时，才可选用平面变厚度模型。至于计算受扭时的应力，则必须用三维模型。若用以计算曲柄的抗弯、抗扭刚度，则均以三维模型为宜，且可采用组的网格划分，甚至略去圆角等细微构形的影响，因为网格划分的组细及圆角等构形的影响，对刚度计算的精度影响甚小。由于曲轴工作时所受载荷及约束均十分复杂，因此对整根曲轴进行有限元计算不易获得成功。这种能描绘整根曲轴并能详细给出应力数据的模型也必然太庞大，求解耗费时间太长，费用太贵，也受计算机计算容量的限制【11】。较合理的模型是用较小的有代表性的一部分来代表整根曲轴，例如用二分之一或四分之一的曲柄来建立计算模型。其前提是在适当的计算时间内获得足够的精度，同时也使力边界条件和约束边界条件尽量简化【12】。随着现代计算机技术的飞速发展以及应用软件的开发这些在原来看来是不可能的事情在现在已经成为现实。1.2.2曲轴强度计算发展60年代以前很长一段时间内，人们主要用实验手段来研究曲轴的强度。随着计算机和计算力学的飞速发展，最近30多年来曲轴计算方法的应力分析精度有了极大的提高，可以相当精确地确定在任一工况下曲轴任意部位的应力，因此对曲轴整体的强度也可以作比较精确的评估。60年代－70年代，产生了整体曲轴计算的连续梁模型和空间钢架模型。在60年代末期，美国的Poter提出了一种曲柄刚度的经验算法，但方法比较繁琐，并且缺少实验和使用的验证。后来，又有人提出了一种曲柄刚度的斜截面法，计算精度较Porter法有新的提高，但由于不能考虑削去的肩部以及中心油孔等因素的影响，第3页共32页计算刚度仍然比实测值大【13】。现有的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步一是应力计算，求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力;二是在此基础上进行疲劳强度计算。常用的应力计算的方法有三种:传统法、有限元法和边界元法【14】。1.3有限元分析有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段【15】。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产