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1、word目录1 绪论11.1 本课题的目的及意义11.2 国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32 1015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
2、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193 有限元分析213.1 ANSYS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3234 / 361 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
3、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
4、以旋转运动形式输出。此外，曲轴还传动保证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荷；对不平衡的发动机曲轴还承受弯矩和剪力；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，是燃机造价最贵的机件。随着燃机的发展与强化，曲轴的工作条件愈加严酷了【5】，必须在设计上正确选择曲
5、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大的发展。随着燃机向高可靠性、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，燃机及其零部
6、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
7、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获得足够的精度，
8、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，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
9、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，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
10、，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生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技
11、术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法【16】。曲轴是发动机中最重要、承载最复杂的零件之一，同时曲轴又是发动机中典型的易损件之一，其强度和刚度直接影响到整机的工作性能。曲轴运转中的受力情况非常复杂，承受着气缸的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷，还有可能承受扭转振动、弯曲振动及轴向振动。加之曲轴形状复杂，实际上是在长度方向上交错分布的多个主轴颈与连杆轴颈的连接体，其过渡圆角区域往往成为应力集中处。发动机在工作过程中，曲轴会产生交变的弯曲应力和扭转应力，导致曲轴发生弯曲变形和扭转变形，并在圆角过渡处产生应力集中。若长时间使用发动机，不可避免地伴随着曲轴的裂
12、纹、磨损等损耗的发生。损耗积累到一定程度必将导致发动机故障，甚至造成重大的经济损失和人员伤亡。随着发动机的不断强化，曲轴的工作条件愈加苛刻，保证曲轴的工作可靠性是至关重要的。面临上述问题，在设计阶段必须找出切实可行的手段。因此如何较准确地得到交变载荷作用下发动机曲轴的应力、变形的大小及分布，校核其疲劳强度，估算其疲劳寿命，对于指导曲轴的优化、改进设计具有重要意义【17】。2 1015柴油机曲轴结构设计2.1 曲轴的结构曲轴的作用是把活塞往复运动通过连杆转变为旋转运动，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等【18】。曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、
13、前端和后端等组成，如图1.1所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴的曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。图1.1主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处常设置平衡重。平衡重用来平衡发动机不平衡的离心力矩及一部分往复惯性力，从而保证了曲轴旋转的平稳性【19】。曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，曲柄与主轴颈的相连处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目与气缸数相等而V型发
14、动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。曲轴前端装有正时齿轮，以驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。曲轴的后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成档油凸缘与回油螺纹，以阻止机油向后窜漏。曲轴的形状和曲拐相对位置取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。多缸发动机的发火顺序应使连续作功的两缸保持尽量远的距离，这样既可以减轻主轴承的载荷，又能避免可能发生的进气重叠现象。此外作功间隔应力求均匀，也就是说发动机在完成一个工作循环的曲轴转角，每个气缸都应发火作功一次，以保证发动机运转平稳。曲轴的作用：它与连杆配合将作用在活塞上的气
15、体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好【20】。2.2 曲轴的疲劳损坏形式曲轴的工作情况十分复杂，它是在周期性变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及其他力矩作用下工作的，因而承受着扭转和弯曲的复杂应力。曲轴箱主轴承的不同心度会影响到曲轴的受力状况，其次，由于曲轴弯曲与扭转振动而产生的附加应力，再加上曲轴形状复杂，结构变化急剧
16、，产生了严重的应力集中。最后曲轴主轴颈与曲柄销是在比压下进行高速转动，因而产生强烈的磨损。因此柴油机在运转中发生曲轴裂纹和断裂事故不为鲜见，尤其是发电柴油机曲轴疲劳破坏较多。依曲轴产生裂纹的交变应力的性质不同，主要有以下三种疲劳裂纹:弯曲疲劳裂纹、扭转疲劳裂纹和弯曲一扭转疲劳裂纹【21】，如图2.1所示。图2.1 1-弯曲疲劳裂纹 2-扭转疲劳裂纹2.2.1 弯曲疲劳裂纹曲轴的弯曲疲劳裂纹一般发生在主轴颈或曲柄销颈与曲柄臂连接的过渡圆角处，或逐渐扩展成横断曲柄臂的裂纹，或形成垂直轴线的裂纹。弯曲疲劳试验表明，过渡圆角处的最大应力出现在曲柄臂中心对称线下方。应力沿曲轴长度方向的分布是在中间的和端
