CAD技术在曲轴平衡设计中的应用

《CAD技术在曲轴平衡设计中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CAD技术在曲轴平衡设计中的应用（2页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、CAD技 术 在 曲 轴 平 衡 设 计 中 的 应 用孔 晓 凤 陈 传 举(河 南 科 技 大 学 车 辆 与 动 力 工 程 学 院 洛 阳 471003)摘 要 :从 平 衡 角 度 出 发 分 析 曲 轴 设 计 中 存 在 的 问 题 :首 先 利 用 CAD技 术 建 立 精 确 的 曲 轴 三 维 实 体 模 型 ,并 对 模型 进 行 平 衡 性 计 算 ,得 出 曲 轴 在 设 计 阶 段 产 生 的 不 平 衡 数 据 静 不 平 衡 ;接 着 仔 细 更 改 曲 柄 的 设 计 ,消 除 静 不 平衡 误 差 ;然 后 考 虑 动 平 衡 和 消 除 动 不 平 衡 的

2、 平 衡 块 设 计 ;这 种 方 法 可 有 效 减 少 加 工 后 曲 轴 动 平 衡 检 验 的 次 数 。关 键 词 :平 衡 曲 轴 内 燃 机 计 算 机 辅 助 设 计App lica tion of CAD Techno logy to the B a lance Ca lcula tion of C rankshaftKong X iaofeng, Chen Chuanju(Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)Ab stra c t: This paper introduces a

3、 method of crankshaft design based on the balance analysis. A 3- D modular ofcrankshaft is made up and the balance of the modular is analyzed with CAD technology. This design method can deduce thestatic balance error which is often caused by traditional analytical methods. Thus the banlance block ca

4、n be designed to meetthe need of homeostasis, it is helpful to design series p roducts and shorten the development period.Keywo rd s: Balance, Crankshaft, IC engine, CAD从 德 国 引 进 的 234型 V6柴 油 机 曲 轴 在 改 进 和 国 产 化中 ,要 对 其 进 行 平 衡 性 的 分 析 计 算 。 传 统 的 方 法 是 ,根 据 图纸 尺 寸 把 曲 轴 简 化 成 理 想 的 模 型 ,用 数 学 分 析 法

5、 进 行 平 衡 性计 算 。 由 于 是 对 简 化 后 的 模 型 进 行 计 算 ,得 出 的 数 据 有 原 始误 差 ,再 加 上 制 造 误 差 ,必 须 对 加 工 好 的 曲 轴 进 行 多 次 动 平衡 试 验 ,即 要 对 一 根 曲 轴 减 重 平 衡 再 减 重 再 试 验 的 反复 过 程 ,从 而 造 成 了 很 大 的 工 时 浪 费 。 234型 V6柴 油 机 的转 速 达 2 300 r/m in,曲 轴 系 的 动 平 衡 要 求 为 不 平 衡 度 小 于100 g cm ,这 对 于 重 达 几 十 千 克 的 曲 轴 来 说 是 非 常 高 的 。

6、可见 用 传 统 平 衡 计 算 的 方 法 不 能 很 好 的 满 足 曲 轴 设 计 要 求 。为 此 本 文 采 用 现 代 设 计 方 法 CAD技 术 来 完 成 这 一 任 务 。1 CAD技 术 与 曲 轴 平 衡1. 1 用 CAD建 立 曲 轴 三 维 实 体 模 型现 在 以 234型 V6柴 油 机 曲 轴 为 例 ,介 绍 CAD技 术 在 曲轴 平 衡 性 分 析 上 的 应 用 。 通 过 分 析 曲 轴 零 件 二 维 图 纸 尺 寸 ,首 先 建 立 零 件 的 主 体 构 架 模 型 。 在 曲 轴 图 中 ,把 曲 拐 和 相 连的 曲 轴 径 做 为 主

7、体 构 架 模 型 (图 1示 ) ,然 后 再 建 立 那 些 在 主体 构 架 (主 模 型 )上 的 功 能 小 模 型 曲 轴 上 的 各 种 斜 油 孔和 螺 钉 孔 等 ,图 1中 即 是 通 过 曲 拐 、 主 轴 径 和 连 杆 径 的 一 个图 1 主 体 构 架 与 斜 油 孔 功 能 模 型斜 油 孔 模 型 。 把 三 个 主 体 构 架 模 型 按 120方 向 连 接 ,将 主 模型 和 功 能 小 模 型 作 布 尔 运 算 1 ,即 可 得 到 234型 V6柴 油 机曲 轴 的 CAD三 维 实 体 模 型 图 ,如 图 2所 示 。图 2 曲 轴 三 维 实

8、 体 模 型 图三 维 模 型 要 尽 可 能 精 确 ,目 的 是 用 于 后 续 的 平 衡 分 析 。在 实 际 工 作 中 ,曲 轴 绕 轴 颈 中 心 高 速 旋 转 ,因 此 把 三 维 模 型的 旋 转 轴 设 定 为 x轴 ,而 把 坐 标 原 点 ( 0, 0, 0)定 在 如 图 2所示 的 位 置 。 这 样 所 建 立 的 模 型 与 实 际 工 作 中 情 况 一 致 ,利 于下 面 的 平 衡 分 析 。1. 2 CAD平 衡 分 析将 材 料 的 密 度 定 为 7. 8 g/cm3 ,利 用 CAD计 算 功 能 ,首先 算 出 曲 轴 的 质 量 为 58.

9、114 222 kg (为 减 少 计 算 误 差 ,在 做平 衡 计 算 时 曲 轴 的 质 量 精 确 到 千 分 之 一 克 ,而 在 实 际 图 纸 中精 确 到 克 即 可 )。 然 后 得 到 如 表 1所 示 的 有 关 平 衡 的 数 据 。表 1 曲 轴 质 心 、 旋 转 半 径 和 惯 性 矩项 目 x y z质 心 /mm 196. 405 - 0. 141 - 0. 079惯 性 矩 / (103 g cm) 2. 012 88 4. 557 17 4. 785 53由 表 1所 得 的 质 心 坐 标 (196. 405, - 0. 141, - 0. 079)可见

10、 ,质 心 并 不 完 全 在 x轴 上 ,即 系 统 的 质 心 不 位 于 旋 转 轴 线上 。 可 知 系 统 的 旋 转 惯 性 力 合 力 R r 0。 即 曲 轴 是 静 不 平 衡的 。 而 在 用 传 统 平 衡 计 算 中 ,却 认 为 曲 轴 是 静 平 衡 的 ,显 然18拖 拉 机 与 农 用 运 输 车第 6期 2005年 12月 Tractor & Farm Transporter设 计 时 即 存 在 着 误 差 。 根 据 平 衡 的 原 理 ,静 不 平 衡 时 是 无 法讨 论 动 平 衡 的 ,因 此 必 须 先 消 除 静 平 衡 的 误 差 。 仍 用

11、 CAD技 术 来 完 成 这 一 任 务 。 由 y = - 0. 141 mm, z = - 0. 079 mm可 得 r = - 0. 161 6 mm (如 图 3所 示 ) ,此 时 的 动 不 平 衡 度 为58. 114 222 0. 161 6 1 000 10 = 939 g cm,远 远 大 于 设 计允 许 的 不 平 衡 度 。 这 正 是 原 来 做 动 平 衡 实 验 时 反 复 去 重 的一 个 根 本 原 因 。 要 想 曲 轴 平 衡 ,必 须 y 0, z 0,即 r 0。 对于 图 2所 示 的 曲 轴 ,它 的 二 维 工 程 零 件 图 如 图 4所

12、示 ,应 逐步 修 改 曲 柄 部 分 ,修 改 71. 3的 尺 寸 ,每 修 改 一 次 都 能 得 到 一个 新 的 质 心 坐 标 ,当 修 改 为 71. 5时 ,如 图 5所 示 时 ,质 心 坐标 为 ( 196. 405, - 0. 007, - 0. 004 ) , 如 上 计 算 可 得 r =0. 004 2 mm,非 常 接 近 位 于 x轴 ,即 可 认 为 曲 轴 此 时 静 平 衡 。这 样 把 三 维 实 体 模 型 图 化 为 二 维 工 程 零 件 图 。 可 见 利 用CDA技 术 可 以 有 效 避 免 设 计 时 的 计 算 误 差 。图 3 质 心

13、半 径 合 成 图图 4 曲 拐 部 分 二 维 工 程 零 件 图图 5 修 改 后 的 曲 拐 部 分 二 维 工 程 零 件 图2 平 衡 块 的 设 计曲 轴 静 平 衡 后 ,再 检 验 是 否 动 平 衡 。 由 表 1的 惯 性 矩 ,可 知 合 力 矩 M r 0,即 曲 轴 此 时 动 不 平 衡 。 从 图 形 中 找 出 影响 平 衡 的 地 方 ,即 所 谓 的 不 平 衡 处 。 可 用 增 加 配 重 的 方 法 来进 行 改 进 。 在 曲 轴 上 与 第 2缸 曲 拐 垂 直 方 向 上 ,安 装 平 衡块 ,共 增 加 四 块 。 需 用 8个 M16 90的

14、 螺 钉 把 平 衡 块 固 定 在曲 轴 上 ,通 过 称 重 ,每 个 螺 钉 的 质 量 是 197. 6 g。 在 此 基 础 上再 设 计 平 衡 块 。平 衡 块 的 设 计 形 状 如 图 6所 示 。 平 衡 块 质 量 4. 565 79kg,质 心 相 对 于 x轴 的 回 转 半 径 为 86. 617 3 mm。图 6 平 衡 块 二 维 工 程 零 件 图把 设 计 好 的 平 衡 块 安 装 在 曲 轴 上 ,采 用 前 面 所 述 的 方 法 ,建 立 曲 轴 系 三 维 实 体 模 型 ,如 图 7所 示 ;同 时 得 到 如 表 2所 示的 有 关 平 衡 的

15、 数 据 。 由 表 2可 知 , x轴 惯 性 矩 为 46. 6 g cm,仅相 当 于 不 平 度 要 求 一 半 ,剩 余 的 一 半 留 给 加 工 误 差 。图 7 曲 轴 系 三 维 实 体 模 型表 2 曲 轴 系 质 心 、 旋 转 半 径 和 惯 性 矩项 目 x y z质 心 /mm 199. 5 419 - 0. 010 - 0. 060惯 性 矩 / ( g cm) 46. 6 6. 208 102 6. 177 1023 结 束 语当 前 在 系 列 化 新 产 品 的 研 发 中 ,利 用 CAD技 术 可 大 大 地节 省 反 复 计 算 的 时 间 ,且 可

16、有 效 地 控 制 设 计 精 度 ,缩 短 产 品 开发 的 周 期 。 CAD技 术 的 发 展 和 普 及 ,深 化 了 三 维 技 术 的 应用 2 , CAD三 维 建 模 技 术 应 是 企 业 今 后 设 计 发 展 的 必 然 3 。参 考 文 献1 王 新 节 . S1125柴 油 机 缸 体 静 压 铸 造 模 具 CAD技 术 的 应 用 . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 , 20012 张 彬 ,李 雪 梅 . 制 造 业 信 息 化 与 CAD技 术 的 深 化 应 用 . 湖 北 工 学院 学 报 , 2004, 19 (4) : 19 213 黄 培 . 中 小 企 业 信 息 化 全 面 解 决 方 案 . 计 算 机 辅 助 设 计 , 1999 (1) :18 20(收 稿 日 期 : 2005- 0