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目 錄 摘 要 ........................................................... IV Abstract ......................................................... V 1 緒論 ........................................................... 1 1.1 課題研究目的和意義 ........................................ 1 1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .............................. 1 1.3 有限元法簡(jiǎn)介 .............................................. 3 1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容 .......................................... 4 2 汽車(chē)曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................. 5 2.1 汽車(chē)曲軸的功用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) .................................. 5 2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析 ........................................ 6 2.3 曲軸零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................ 8 3 基于 Creo 的汽車(chē)曲軸的建模 ...................................... 9 3.1 曲軸模型簡(jiǎn)化 .............................................. 9 3.2 曲軸實(shí)體建模 .............................................. 9 4 基于 ANSYS 的汽車(chē)曲軸有限元分析 ................................ 10 4.1 曲軸有限元模型建立 ....................................... 10 4.2 曲軸靜強(qiáng)度分析 ........................................... 11 4.3 提出優(yōu)化方案 ............................................. 19 5 結(jié)論與展望 .................................................... 19 參考文獻(xiàn) ........................................................ 20 致 謝 ........................................................... 21 基于 ANSYS 的汽車(chē)曲軸有限元分析 摘 要 曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中重要零件之一，起著“承前啟后”的作用，曲軸主軸頸與連桿 大頭相連，承受來(lái)自活塞推力曲軸后端與飛輪相接，飛輪與汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)相連。曲柄 連桿機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，受力情況非常復(fù)雜，曲軸連桿軸頸承受氣缸中燃?xì)鈮毫Φ姆至?、活塞連桿組的旋轉(zhuǎn)慣性力分力、活塞連桿組的往復(fù)慣性力，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的 作用。課題以某汽車(chē)為例，研究該汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸上的一個(gè)曲拐。首先對(duì)其變形與應(yīng) 力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，用 Creo 對(duì)曲軸三維實(shí)體模型進(jìn)行建模，再將實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 中進(jìn)行靜力分析與模態(tài)分析，課題得出主軸頸與主軸頸上應(yīng)力比較集中；曲軸動(dòng)態(tài)性能符合要求。 關(guān)鍵詞：曲軸；Creo 建模；有限元分析；模態(tài)分析 IV Finite Element Analysis of Automobile Crankshaft Based on ANSYS Abstract The crankshaft is one of the important parts in the automobile engine. It plays the role of “supporting the front and back” and the main shaft of the crankshaft is connected with the big end of the connecting rod. The crankshaft receives the thrust from the piston and the rear end of the crankshaft connects with the flywheel. The flywheel is connected with the drive system of the automobile. In the working process of the crank connecting rod mechanism, the force conditions are very complicated. The crankshaft connecting rod journal bears the component of the gas pressure in the cylinder, the rotary inertia force component of the piston connecting rod set, and the reciprocating inertia force of the piston connecting rod set. The crankshaft bears the effect of bending torsional loads. The subject takes a car as an example to study a crank on the crankshaft of the car engine. Firstly, the finite element analysis of its deformation and stress state is carried out. The three-dimensional solid model of the crankshaft is modeled by Creo. Then the solid model is imported into ANSYS for static analysis and modal analysis. The subject has obtained the stress comparison between the main journal and the main journal. Focused; crankshaft dynamic performance meets requirements. Key words：Crankshaft；Creo modeling；Finite element analysis；Modal analysis 1 緒論 1.1 課題研究目的和意義 曲軸是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中必不可缺的零件，起著“承前啟后”的作用。曲軸主軸頸與連 桿大頭相連，承受來(lái)自活塞推力，并且這種推力方向沿連桿軸頸表面時(shí)刻在變化，力的 大小也時(shí)時(shí)刻刻在變化。曲軸后端與飛輪相接，飛輪與汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)相連。這構(gòu)成了 汽車(chē)動(dòng)力源的傳遞路線(xiàn)，氣體作用力經(jīng)活塞、連桿傳遞給曲軸，并轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩 則通過(guò)飛輪傳遞出去。曲柄連桿機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，受力情況非常復(fù)雜，曲軸連桿軸頸 承受氣缸中燃?xì)鈮毫Φ姆至?、活塞連桿組的旋轉(zhuǎn)慣性力分力、活塞連桿組的往復(fù)慣性力， 所以在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，曲軸很容易折斷，導(dǎo)致汽車(chē)報(bào)廢甚至危及人身安全。另外， 如果曲軸的剛度太差，在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生很大的噪聲影響汽車(chē)駕駛性能。所以，研 究曲軸的強(qiáng)度與剛度對(duì)曲軸的設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有非常重要的意義。 1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)今，汽車(chē)工業(yè)步入高速發(fā)展階段。在曲軸方面，國(guó)家引進(jìn)先進(jìn)制造設(shè)備，不斷提高曲軸鍛造工藝，使曲軸性能更加符合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)工況，進(jìn)一步提高汽車(chē)性能。同時(shí)投入大量資金與專(zhuān)項(xiàng)人才，不斷研發(fā)鞏固曲軸性能。這兩方面的相輔相成使得曲軸制造技術(shù)已經(jīng)非常完善。 目前曲軸有球墨鑄鐵式曲軸與鍛鋼式曲軸兩種。球墨鑄鐵的價(jià)格低廉，且性能好， 尤其是其切削性良好，容易鍛造出伊始設(shè)計(jì)的形狀，球墨鑄鐵式曲軸同樣可以進(jìn)行表面處理以增強(qiáng)材料性能，如耐磨性、強(qiáng)度等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美英日三國(guó)球墨鑄鐵式曲軸的市場(chǎng)占有率分別為 90%、70%、60%，其他一些歐美國(guó)家也大規(guī)模采用球墨鑄鐵式曲軸。我國(guó)中小型發(fā)動(dòng)機(jī)基本上都采用球墨鑄鐵式曲軸，功率在 160KW 以上的發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用鍛鋼式鑄鐵。 曲軸的表面處理即強(qiáng)化處理有幾下幾種方式： 1.氮化處理。氮化處理前，要對(duì)零件表面進(jìn)行清洗，繼而要排除爐內(nèi)的空氣。氮化處理能調(diào)高零件的硬度與耐磨性。 2.噴丸處理。所謂的噴丸處理就是將一定材料高速?lài)娤蛄慵砻?，在零件表面形成一?薄膜，這層薄膜具有一定的殘余應(yīng)力。當(dāng)零件受負(fù)載時(shí)，殘余應(yīng)力可以抵消一部分負(fù)載， 從而達(dá)到增強(qiáng)零件性能的效果。 3.圓角滾壓處理。所謂圓角滾壓處理就是用一個(gè)滾輪與曲軸對(duì)滾，使曲軸有一定的預(yù)壓緊力。這個(gè)過(guò)程中，曲軸面產(chǎn)生一定的塑性變形，同時(shí)帶來(lái)一定的殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力的作用同噴丸處理相同，從而增強(qiáng)零件性能。曲軸圓角滾壓處理有切線(xiàn)滾壓、半精加工后滾壓、圓角沉割滾壓三種類(lèi)型。切線(xiàn)滾壓得到的連桿軸頸的圓角與滾輪的圓角相 24 同，加工方便，但是這種方式互換性差，一種滾輪只能生產(chǎn)同一種型號(hào)的曲軸。同時(shí)在加工過(guò)程中，會(huì)在連桿軸頸的側(cè)表面形成一個(gè)凸臺(tái)，這個(gè)凸臺(tái)需要在后期經(jīng)磨削打磨處理掉，這增加了工序，使加工更加繁雜。半精加工后滾壓是在曲軸精磨前的一道工序， 它的優(yōu)點(diǎn)是避免在滾壓過(guò)程中，曲軸表面起臺(tái)，其缺點(diǎn)使曲軸表面發(fā)生塑性變形，這需要在后序工序中磨削掉一部分塑性變形帶，這削弱了滾壓的強(qiáng)化效果。而圓角沉割滾壓 綜合了以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，并且克服了兩種方法的缺點(diǎn)，故這種強(qiáng)化方式被廣泛使用。 4.復(fù)合強(qiáng)化處理。所謂復(fù)合處理就是綜合多種強(qiáng)化處理方式共同加工，現(xiàn)代的復(fù)合處理主要是圓角滾壓與離子氮化相配合使用，這種強(qiáng)化方式技術(shù)要求較高，但是這種強(qiáng)化方式對(duì)曲軸性能的強(qiáng)化效果最好。 曲軸的主軸頸和曲柄銷(xiāo)的加工方式分為粗加工、半精加工和精加工三種。過(guò)去曲軸 的鍛造通常在車(chē)床上完成，同時(shí)配備多種刀具以滿(mǎn)足曲軸的工藝要求。這種傳統(tǒng)加工方 式逐漸被淘汰，因?yàn)檐?chē)床加工對(duì)操作工的技術(shù)要求高。粗加工時(shí)，常因零件的形狀要求， 配備多種刀具，從而選擇加工工序非常重要。一旦工序選擇不當(dāng)，將會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng) 力，曲軸在工作時(shí)非常不穩(wěn)定，且很難保證適合的加工余量。傳統(tǒng)加工方式的主要缺點(diǎn) 是生產(chǎn)效率極低，通常一臺(tái)車(chē)床在同一時(shí)間只能加工某一零件的某一道工序，這就導(dǎo)致 了加工過(guò)程需要多種型號(hào)的車(chē)床以適應(yīng)工作零件的多方面要求。而且車(chē)床的體積較大， 占用很大的空間，過(guò)去為了提高生產(chǎn)率只有通過(guò)多種工序分解，在不同的車(chē)床上流水線(xiàn) 式分序進(jìn)行。近些年來(lái)，技術(shù)進(jìn)步，出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床。數(shù)控車(chē)削機(jī)床與傳統(tǒng)車(chē)床相比， 刀具價(jià)格低廉，但缺點(diǎn)是只適合小批量的生產(chǎn)。數(shù)控銑床相當(dāng)昂貴，而且其專(zhuān)用刀具的 價(jià)格也非常昂貴，優(yōu)點(diǎn)是適合大批量的生產(chǎn)，綜合來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，各 有其優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。數(shù)控機(jī)床還具有傳統(tǒng)機(jī)床所不具備的技術(shù)，數(shù)控車(chē)——拉工藝、數(shù)控 車(chē)——車(chē)?yán)に?。寬軸徑的零件用傳統(tǒng)機(jī)床非常難加工，而數(shù)控機(jī)床的這兩種技術(shù)能很 容易做到，并且用其加工出來(lái)的零件質(zhì)量很高、效率很高。但這兩種工藝所要用到的刀 具結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)沒(méi)有這種技術(shù)加工出這種刀具，一般都要通過(guò)進(jìn)口來(lái)滿(mǎn)足其 需求。另外還有一種近些年熱度非常高的 CNC 高速外銑工藝。這種工藝新興于 21 世紀(jì)末，其優(yōu)勢(shì)在于適用范圍廣、自動(dòng)化程度高、加工效率高、加工出的零件質(zhì)量高?，F(xiàn)在 這種工藝已經(jīng)成為加工主軸頸和曲柄銷(xiāo)的主流加工方式。通過(guò)比較我們可以知道，數(shù)控 機(jī)床在加工曲柄銷(xiāo)的過(guò)程中通常需要兩道工序，而 CNC 高速外銑工藝只需要一道工序， 其優(yōu)勢(shì)還有切削效率高、工作時(shí)刀具溫度不高、刀具的壽命高。這減小的加工過(guò)程的繁 瑣程度，更重要的是提高了曲軸的生產(chǎn)效率。德國(guó) BOEHRINGER 是專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)這種高速外銑機(jī)床的公司，這種機(jī)床加工技術(shù)非常成熟，在銑曲軸的過(guò)程中。如果一道工序中涉及 多個(gè)工作平面，這種機(jī)床可以做到不改變曲柄銷(xiāo)的軸線(xiàn)而對(duì)其加工，且其加工精度非常 高。這種機(jī)床還具有非常高的自動(dòng)化程度，在其控制系統(tǒng)中輸入零件的基本參數(shù)，其控 制系統(tǒng)就能自動(dòng)生成加工工序。精加工使用數(shù)控磨床。采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓 進(jìn)給絲杠(砂輪頭架)和線(xiàn)性光柵閉環(huán)控制等控制裝置，使各尺寸公差及形位公差得到可 靠的保證，精加工還廣泛使用數(shù)控砂帶拋光機(jī)進(jìn)行超精加工，經(jīng)超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級(jí)精度。如 GF70M—T 曲軸磨床是日本 TOYADA 工機(jī)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的專(zhuān)用曲軸磨床，是為了滿(mǎn)足多品種、低成本、 高精度、大批最生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應(yīng)用工件同轉(zhuǎn)和砂輪進(jìn)給伺服聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，可以一次裝夾而不改變曲軸同轉(zhuǎn)中心即可完成所有軸頸的磨削，包括隨動(dòng)跟蹤磨削連桿軸頸； 采用靜壓主軸、靜壓導(dǎo)軌、靜壓進(jìn)給絲杠(砂輪頭架)和線(xiàn)性光柵閉環(huán)控制，使用 TOYADA 工機(jī)生產(chǎn)的GC50 CNC 控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達(dá)到 0.002mm；采用 CBN 砂輪，磨削線(xiàn)速度高達(dá) 120m／s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。 發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的根本，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都致力于制造高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)。目前提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出效率的方法有增壓法、使用多缸發(fā)動(dòng)機(jī)、調(diào)高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等方法。發(fā)動(dòng)機(jī)正向著增壓、增壓中冷、大功率、高可靠性、低排放方向發(fā)展，曲軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟， 正面臨著安全性和可靠性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)材料和制造工藝已無(wú)法滿(mǎn)足其功能要求，市場(chǎng)對(duì)曲軸材質(zhì)以及毛壞加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強(qiáng)化、動(dòng)平衡等要求都十分嚴(yán)格。如果其中任何—個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量沒(méi)有得到保證，則可嚴(yán)重影響曲軸的使用壽命和整機(jī)的可靠性。世界汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)曲軸的加工十分重視，并不斷改進(jìn)曲軸加工工藝。隨著 WTO 的加入，國(guó)內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識(shí)到形勢(shì)的緊迫性，引進(jìn)了為數(shù)不少的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，以期提高產(chǎn)品的整體競(jìng)爭(zhēng)力，使得曲軸的制造技術(shù)水平有了大幅提高，特別是近 5 年來(lái)發(fā)展更為迅猛。 目前國(guó)內(nèi)轎車(chē)曲軸生產(chǎn)線(xiàn)多為高速柔性生產(chǎn)線(xiàn) FTL，這種生產(chǎn)線(xiàn)的特點(diǎn)是不僅可以加工同系列曲軸，而且還可加工變型產(chǎn)品、換代產(chǎn)品 和新產(chǎn)品，真正具備柔性意義。為進(jìn)一步提高高速柔性生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率．更快的適應(yīng) 市場(chǎng)，F(xiàn)TL 未來(lái)發(fā)展是敏捷柔性生產(chǎn)線(xiàn) AFTL。 其主要目的是：滿(mǎn)足市場(chǎng)變化的需求。不但滿(mǎn)足當(dāng)前產(chǎn)品的耍求，還應(yīng)考慮未來(lái)市場(chǎng)需求。滿(mǎn)足生產(chǎn)方式的需求。能滿(mǎn)足現(xiàn)代 發(fā)動(dòng)機(jī)“多品種、大中批量、高效率、低成本”的生產(chǎn)需求。符合“精益生產(chǎn)”的原則。杜絕浪費(fèi)，用最少投資、最大回報(bào)謀取利潤(rùn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性．曲軸 ATFL 應(yīng)具備以下特點(diǎn)：由高速加工中心和高效專(zhuān)用機(jī)床(含少量組合機(jī)床)組成。按工藝流程排列機(jī)床并由自動(dòng)輸送裝置連接，采用柔性?shī)A具和高 效專(zhuān)用刀具生產(chǎn)。為防止關(guān)鍵工序設(shè)備故障造成全線(xiàn)停產(chǎn)，可增設(shè)平行設(shè)備增補(bǔ)，亦能滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的需要[1-5]。 1.3 有限元法簡(jiǎn)介 有限元軟件主要有結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析、疲勞斷裂及復(fù)合材料分析，其功能十分廣泛且強(qiáng)大。ANSYS 主要通過(guò)建模、網(wǎng)格劃分、加載和求解、后處理來(lái)實(shí)現(xiàn)分析。課題主要使用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析屬于線(xiàn)性分析。線(xiàn)性分析一是只材料是線(xiàn)性的，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線(xiàn)性的，變形是可恢復(fù)的；二是指變形不會(huì) 改變小范圍內(nèi)的位移、應(yīng)變、轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)剛性。概括地來(lái)說(shuō)就是結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析用于確定加載結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變[6-11]。 1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容 本課題主要研究曲軸在負(fù)載下的變形與應(yīng)變?？梢酝ㄟ^(guò) Creo 對(duì)某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸進(jìn)行建模，然后將得到的實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 得到有限元模型，通過(guò)有限元分析得出變形圖與應(yīng)力圖，分析其結(jié)果，提出更優(yōu)的建議；另外對(duì)曲軸做模態(tài)分析，分析其結(jié)果。 2 汽車(chē)曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1 汽車(chē)曲軸的功用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2.1.1 曲軸功用及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 曲軸在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中起承前啟后的作用，即承受活塞連桿對(duì)其的推力，并將其傳遞給飛輪，轉(zhuǎn)矩則通過(guò)飛輪傳遞給汽車(chē)傳動(dòng)系，這一過(guò)程不僅起傳遞的作用還改變力的方向，將活塞連桿的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲軸上還裝有定時(shí)齒輪與帶輪，定時(shí)齒輪用來(lái)驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)中的凸輪軸，帶輪用來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和水泵。故曲軸與配氣機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)以及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系，是發(fā)動(dòng)機(jī)中不可或缺的零件。 曲軸由前后端、主軸頸、曲柄和連桿軸頸構(gòu)成。一個(gè)連桿軸頸和其兩端的曲柄、前后兩端的主軸頸構(gòu)成一個(gè)單元的曲拐。曲軸的曲拐數(shù)目由氣缸的數(shù)目和排列方式?jīng)Q定。在直列發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲軸曲拐數(shù)與氣缸數(shù)相等；在 V 型發(fā)動(dòng)機(jī)中，曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。 曲軸前端也稱(chēng)為自由端，是一根軸。在這根軸上裝有驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)中凸輪軸的定時(shí)齒輪、驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和水泵的皮帶輪以及起動(dòng)爪等。曲軸前端還裝有一個(gè)甩油盤(pán)，甩油盤(pán)在隨曲軸旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，可以避免機(jī)油外泄。工作原理是當(dāng)機(jī)油由于離心力的作用，甩落在盤(pán)上的機(jī)油會(huì)飛濺到定時(shí)齒輪室蓋的壁面上，隨后沿著壁面流回油底殼，少量機(jī)油殘余在油盤(pán)前的軸上，這部分機(jī)油借由油封擋住。曲軸后端也有密封措施，通常在后端軸上加工有回油螺紋或者其他封油裝置?；赜吐菁y可以是梯形的也可以是矩形的，但需要注意的是，回油螺紋旋向應(yīng)是右旋的，因?yàn)樵谇S旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)油具有一定粘度，必然受到摩擦力，如果使用的是右旋螺紋，摩擦力的一個(gè)分力會(huì)使機(jī)油流回油底殼。 主軸頸是曲軸的主干部分，起到支承的作用，通過(guò)主軸承支承在曲軸箱的主軸承座 中。區(qū)分曲軸是全支承曲軸還是非全支承曲軸的主要依據(jù)是曲軸的主軸頸數(shù)目，全支承 曲軸的相鄰兩個(gè)曲拐都有一個(gè)主軸頸來(lái)連接，否則則為非全支撐曲軸。由此可見(jiàn)，全支 承曲軸和非全支撐曲軸的適用方面不同?？偟亩裕С星S與非全支承曲軸相比， 剛度和彎曲強(qiáng)度都要大，這也就是為什么在大負(fù)荷柴油機(jī)中，要使用全支承曲軸的原因。主軸頸的數(shù)目與氣缸排列方式和曲軸種類(lèi)（全支承曲軸和非全支撐曲軸）有關(guān)。在直列 發(fā)動(dòng)機(jī)中，如使用全支承方式，其主軸頸的數(shù)目比氣缸數(shù)多一個(gè)；在 V 形發(fā)動(dòng)機(jī)中，如使用全支撐方式，其主軸頸個(gè)數(shù)比氣缸數(shù)的一半多一個(gè)。另外，曲軸也可分為整體式和 組合式。一般來(lái)說(shuō)，整體式曲軸是一次性鍛造的，而組合式曲軸是分別加工若干個(gè)曲拐， 最后組裝而成。顯然，組合式曲軸在各方面的性能都要優(yōu)于整體式曲軸，但是在成本和加工復(fù)雜程度都要高于整體式曲軸。 曲柄是連桿軸頸和主軸頸的中間部分。一般在曲柄的相反方向上設(shè)置平衡重，平衡重是為了平衡發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的不平衡的離心力矩，能讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的同時(shí)保護(hù)曲軸等零件。在一些負(fù)荷大的發(fā)動(dòng)機(jī)中，如不設(shè)平衡重，曲軸很容易因斷裂破壞使發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。但有些發(fā)動(dòng)機(jī)不設(shè)置平衡重，這就要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載。有些發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用全支承方式，剛度與強(qiáng)度足夠大，此時(shí)再設(shè)置平衡重，就會(huì)消耗一部分功率，使輸出功率下降，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。 連桿軸頸是連接連桿和曲軸的部分，也稱(chēng)為曲柄銷(xiāo)。連桿的大頭形狀其實(shí)是兩個(gè)半弧形，在連桿大頭與曲柄銷(xiāo)之間夾裝軸瓦，連桿大頭與曲柄銷(xiāo)通過(guò)螺栓連接。軸瓦與連桿大頭上都開(kāi)有孔，潤(rùn)滑油可以通過(guò)這些孔道潤(rùn)滑曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 曲軸的形狀和曲拐相對(duì)位置(即曲拐的布置)取決于氣缸數(shù)、氣缸排列和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序。在安排發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火次序時(shí)，要滿(mǎn)足兩個(gè)原則。一是盡量使連續(xù)做功的兩缸相距盡可能遠(yuǎn)，這是考慮到旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力而提出的，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火次序按照 1—2—3—4 來(lái)設(shè)置。那么當(dāng)前兩缸做功時(shí)，曲軸后端所受負(fù)荷非常大，同樣在后兩缸做功時(shí)，曲軸前端所受負(fù)荷也非常大，這對(duì)曲軸使用壽命是非常不利的。第二個(gè)原則是做功間隔盡量均勻，即在曲軸旋轉(zhuǎn)兩周時(shí)，每一缸都必須參與做功一次。這是為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，同時(shí)也保證氣缸利用率，即提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。這就是為什么現(xiàn)在所有四缸汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)要按照 1—2—4—3 或者 1—3—4—2 的發(fā)火次序來(lái)進(jìn)行，六缸發(fā)動(dòng)機(jī)按照 1—5—3 —6—2—4 或者 1—4—2—6—3—5 的發(fā)火次序來(lái)進(jìn)行。 2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析 2.2.1 曲軸設(shè)計(jì)要求 根據(jù)上述曲軸的損壞形式及其原因，且為避免這些損壞，曲軸在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量滿(mǎn)足以下的要求： 1. 具有足夠的疲勞強(qiáng)度，以保證曲軸工作可靠。盡量減小應(yīng)力集中，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)； 2. 具有足夠的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，使曲軸變形不致過(guò)大，以免惡化活塞連桿組及軸承工作條件； 3. 軸頸要有良好的耐磨性，保證曲軸和軸承有足夠的壽命； 4. 曲柄的排列應(yīng)合理，以保證柴油機(jī)工作均勻，曲軸平衡性良好，以減少振動(dòng)和主軸承最大負(fù)荷； 5. 材料選擇適當(dāng)，制造方便； 2.2.2 載荷確定 實(shí)際的曲軸是一個(gè)多支承的靜不定系統(tǒng)：隨沖程的進(jìn)行，曲軸所受負(fù)載方向沿著連桿軸頸表面不斷變化，且其大小也不斷變化。一般是把曲軸按單拐分成幾段，每段當(dāng)做簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析；又根據(jù)每段結(jié)構(gòu)、載荷和約束的對(duì)稱(chēng)性，本課題只分析一個(gè)連桿軸頸的變形量和應(yīng)力[12-15]。 實(shí)踐和理論分析表明，對(duì)于各種曲軸，彎曲載荷是其破壞的主要影響因素。 而彎曲載荷是由連桿直接作用與曲軸上的。作用于曲軸上的彎曲載荷主要有 3 種： 1)活塞連桿組作用到曲軸上的壓力（方向向下）????： ???? = 1/4????2?? = 61359N （1） ??——?dú)飧字睆?，?125mm； ??——做功行程中氣缸內(nèi)的最高壓力，取 5MPa。 2)連桿總成的往復(fù)慣性力????1和活塞組的往復(fù)慣性力????2： ?? = ??  ??2 ?? 2  （2） ??1 ????——連桿總質(zhì)量，取 2.27kg； ?? ?? (1 + ??) ???? = 3628.5N ??2——連桿質(zhì)心到大頭中心距，取 60mm； ??——曲柄半徑，取 60mm； ??——連桿中心距，取 192mm； ??——連桿軸頸半徑，取 34.5mm。 ?? 2  （3） ????2 = ?????? (1 + ??) ???? ??????——活塞和活塞環(huán)總質(zhì)量，取 1.76kg； 3）連桿大頭的旋轉(zhuǎn)慣性力????3： = 9002.6N ????3 = ????  ?????2 ????2 = 3991.4N （4） ?? 曲軸所受的最大壓縮載荷在做功行程中到達(dá)壓力最大時(shí)，其值為： ?????????? = ???? ? ????1 ? ????2 ? ????3 = 44736.5N （5） 曲軸所受的最大拉伸載荷在進(jìn)氣沖程開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，其值為： ?????????? = ????1 + ????2 + ????3 = 16622.5N （6） 曲軸的兩種計(jì)算工況分別對(duì)應(yīng)于上述 2 種最大載荷，如圖 2.1 所示： 圖 2.1 曲軸兩種計(jì)算工況示意圖 2 種工況最大載荷沿軸頸圓周 120o 方向按均勻分布的施加方式。對(duì)應(yīng)的連桿軸頸上的均布?jí)簭?qiáng)??可由式(1)確定； ?? = ∫ +?? 3 ?????????????????? （7） ??? 3 ??是作用在連桿軸頸上的最大載荷。工況 1 時(shí)為??????????，工況 2 時(shí)的載荷為??????????積 分后得到 2 種工況對(duì)應(yīng)的均布?jí)簭?qiáng)： ???? = 17.980MPa ???? = 6.684MPa 2.3 曲軸零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 某汽車(chē)曲軸全長(zhǎng)為 1004mm, 主軸頸與曲柄銷(xiāo)的長(zhǎng)度為 85mm, 主軸頸與曲柄銷(xiāo)的直徑分別為 180mm、95mm。曲軸采用全支承式。 3 基于 Creo 的汽車(chē)曲軸的建模 3.1 曲軸模型簡(jiǎn)化 曲軸主要由曲柄、曲柄銷(xiāo)和主軸頸三個(gè)部分組成，其中連桿軸頸和其兩端的曲柄與主軸頸構(gòu)成一個(gè)曲拐。曲拐與氣缸是相互匹配的，即曲拐數(shù)隨著氣缸數(shù)的增加而增加。 Creo 三維實(shí)體建模就是建立曲拐與主軸頸，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)將曲拐進(jìn)行復(fù)制得到最終的曲軸模型。 3.2 曲軸實(shí)體建模 在做整個(gè)曲軸的靜力分析中，曲軸的受力情況非常復(fù)雜，所以在這里做了一個(gè)簡(jiǎn)化。以單個(gè)曲拐為例做靜力分析。進(jìn)入拉伸命令的草繪界面，畫(huà)一個(gè)直徑為 180mm 的圓，拉 伸長(zhǎng)度為 85mm，這就形成了一個(gè)主軸頸，可以利用鏡像復(fù)制命令創(chuàng)建另一個(gè)主軸頸。再次進(jìn)入拉伸命令的草繪界面，畫(huà)一個(gè)直徑為 85mm 的圓，拉伸長(zhǎng)度為 95mm，這就形成了一個(gè)連桿軸頸，曲柄也是通過(guò)拉伸命令創(chuàng)建。單個(gè)曲拐模型如圖 3.1 所示。 圖 3.1 曲拐模型 4 基于 ANSYS 的汽車(chē)曲軸有限元分析 4.1 曲軸有限元模型建立 依次 ANSYS—workbench—Static Structural—Engineering Data，設(shè)置彈性模量、泊松比和密度。課題選用的某型轎車(chē)，曲軸材料為為 40Cr，主要參數(shù)如表 4.1 所示。 表格 4.1 材料主要參數(shù) 材料 彈性模量 E/GPa 密度 kg/m3 泊松比 μ 40Cr 206 7800 0.3 將 Creo 生成的曲拐模型導(dǎo)入 ANSYS 中，具體步驟為將 Creo 文件保存為.iges 格式， 依次操作 ANSYS—workbench—Static Structural—Geometry—Browse 打開(kāi) igs 格式文件， 最后雙擊 model 生成有限元模型，如圖 4.2 所示。 圖 4.2 ANSYS 模 型 4.2 曲軸靜強(qiáng)度分析 4.2.1 網(wǎng)格劃分 點(diǎn)擊 mesh，在 sizing—Element Size 一欄中輸入 0.001，即單元邊長(zhǎng)為 1mm。生成的有限元模型如圖 4.3 所示。點(diǎn)擊 Statistics 可查看生成的單元數(shù)目，共 536137 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 315025 個(gè)三角形單元。 4.2.2 加載求解 圖 4.3 有限元網(wǎng)格劃分模型 在 static structural 中添加固定端和施力點(diǎn)和力的方向與大小。當(dāng)活塞處于做功行程中氣缸中壓力達(dá)到最大時(shí)，連桿施加于連桿軸頸上的負(fù)載上面設(shè)計(jì)計(jì)算已經(jīng)求出，為 17.980MPa，方向?yàn)檫B桿大頭與連桿軸頸接觸點(diǎn)指向連桿軸頸軸線(xiàn)；當(dāng)活塞處于臨近進(jìn)氣沖程開(kāi)始時(shí)，連桿施加于連桿軸頸上的負(fù)載也由上面的設(shè)計(jì)計(jì)算求出，為 6.684MPa，方向?yàn)檫B桿大頭與連桿軸頸接觸點(diǎn)指向連桿軸頸軸線(xiàn)。兩種工況求解后如圖 4.4 和 4.5 所示。 圖 4.4 求解分析結(jié)果（壓縮載荷） 4.2.3 后處理 圖 4,5 求解分析結(jié)果（拉伸載荷） 在 solution 中添加變形與應(yīng)力，分別求解。當(dāng)活塞處于做功行程中氣缸中壓力達(dá)到最大時(shí)的位移變形圖如圖 4.6 所示，等效應(yīng)力云圖如圖 4.7 所示；活塞處于臨近進(jìn)氣沖程 開(kāi)始時(shí)的位移變形圖如圖 4.8 所示，等效應(yīng)力云圖如圖 4.9 所示。 圖 4.6 曲軸位移變形圖 由圖可知，做功沖程階段且氣缸內(nèi)壓力達(dá)到最大時(shí)，連桿軸頸表面變形量最大，最大變形量為 0.012mm，此值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 圖 4.7 曲軸等效應(yīng)力云圖 由圖可知，做功沖程階段且氣缸內(nèi)壓力達(dá)到最大時(shí)，連桿軸頸整個(gè)曲面與相鄰的主軸頸的整個(gè)曲面受應(yīng)力較大，其值大概為 40.3MPa。 圖 4.8 曲軸位移變形圖 由圖可知，活塞在進(jìn)氣沖程臨近開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，連桿軸頸表面變形量最大，最大變形量為 0.0038mm，此值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 圖 4.9 曲軸等效應(yīng)力云圖 由圖可知，活塞在進(jìn)氣沖程臨近開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，連桿軸頸整個(gè)曲面與相鄰的主軸頸的整個(gè)曲面受應(yīng)力較大，其值大概為 15.3MPa。 4.2.4 模態(tài)分析 依次 ANSYS—workbench—Static Structural—Engineering Data，設(shè)置彈性模量、泊松比和密度。課題選用的某型轎車(chē)，曲軸材料為為 40Cr，主要參數(shù)如表 4.1 所示。 將 Creo 生成的曲拐模型導(dǎo)入 ANSYS 中，具體步驟為將 Creo 文件保存為.iges 格式， 依次操作 ANSYS—workbench—Modal—Geometry—Browse 打開(kāi) igs 格式文件，最后雙擊model 生成有限元模型，如圖 4.10 所示。 圖 4.10 有限元模型 點(diǎn)擊 mesh，在 sizing—Element Size 一欄中輸入 0.005，即單元邊長(zhǎng)為 5mm。生成的有限元模型如圖 4.11 所示。點(diǎn)擊 Statistics 可查看生成的單元數(shù)目，共 45651 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 26005 個(gè)三角形單元。 圖 4.11 網(wǎng)格劃分模型 添加固定端后求解，一階、二階、三階、四階、五階、六階振型圖求如 4.12、4.13、4.14、4.15、4.16、4.17 所示。 圖 4.12 一階振型圖 圖 4.13 二階振型圖 圖 4.14 三階振型圖 圖 4.15 四階振型圖 圖 4.16 五階振型圖 圖 4.17 六階振型圖 一階振型圖主要表現(xiàn)為曲拐的扭轉(zhuǎn)；二階振型圖主要表現(xiàn)為曲拐的扭轉(zhuǎn)；三階振型圖表現(xiàn)為曲拐的大幅度扭轉(zhuǎn)；四階振型圖表現(xiàn)為曲拐的大幅度扭轉(zhuǎn)；五階振型圖與六階振型圖中曲拐的小幅度扭曲。 但是，課題選取的某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速變化范圍在 1000r/min——4000r/min，基振頻率 16HZ——50HZ 之間。上述的曲軸的前六階振動(dòng)頻率最低的為 3763HZ，不在共振頻率范圍內(nèi)，故這根曲軸的動(dòng)態(tài)性能是滿(mǎn)足的。 4.3 提出優(yōu)化方案 使變形量更小和減小應(yīng)力集中有幾種方案。一是更換曲軸材料，上述的某汽車(chē)曲軸材料采用的是 40Cr，現(xiàn)可取彈性模量更大的材料。二是在曲柄與主軸頸的連接處，倒有圓角或直角。 5 結(jié)論與展望 本課題使用 Creo 對(duì)曲拐進(jìn)行建模，然后用 ANSYS 對(duì)其進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析。得出曲拐在理想狀態(tài)下的位移變形圖、等效應(yīng)力云圖、前六階的振型圖。為改進(jìn)曲軸提供了理論依據(jù)。 做功沖程階段且氣缸內(nèi)壓力達(dá)到最大時(shí)，連桿軸頸表面變形量最大?；钊谶M(jìn)氣沖程臨近開(kāi)始的上止點(diǎn)附近，連桿軸頸表面變形量最大。 課題選取的某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速變化范圍在 1000r/min——4000r/min，基振頻率 16HZ——50HZ 之間。上述的曲軸的前六階振動(dòng)頻率最低的為 3763HZ，不在共振頻率范圍內(nèi)，故這根曲拐的動(dòng)態(tài)性能是滿(mǎn)足的。 以上的計(jì)算、建模和分析都是在一定簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上進(jìn)行的，故所得結(jié)果并非完全正確。但因本人能力不足與時(shí)間的緊促，未能做出一個(gè)完全切合現(xiàn)實(shí)的結(jié)果。在研究的過(guò)程中， 遇到的一些需要后來(lái)研究工作者深入完善的問(wèn)題： 1. 曲柄連桿機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，受力情況非常復(fù)雜，計(jì)算公式是在忽略邊界條件下得出的，課題中求出的施加在連桿軸頸上的負(fù)載不是精確的。 2. 在使用 Creo 對(duì)曲軸建模時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如忽略了曲軸上的螺栓孔、油道、小倒角、本課題中得出的位移變形量與等效應(yīng)力與實(shí)際有誤差。 參考文獻(xiàn) [1] 姜鴻宇,黃春元.國(guó)內(nèi)外曲軸加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].黑龍江科技信息.2008(31). 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