基于ANSYS的汽車曲軸有限元分析說明書.docx

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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 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .............................. 1 1.3 有限元法簡介 .............................................. 3 1.4 課題主要研究內(nèi)容 .......................................... 4 2 汽車曲軸的設計計算 ............................................. 5 2.1 汽車曲軸的功用及結(jié)構(gòu)特點 .................................. 5 2.2 運動學及動力學分析 ........................................ 6 2.3 曲軸零件的結(jié)構(gòu)設計 ........................................ 8 3 基于 Creo 的汽車曲軸的建模 ...................................... 9 3.1 曲軸模型簡化 .............................................. 9 3.2 曲軸實體建模 .............................................. 9 4 基于 ANSYS 的汽車曲軸有限元分析 ................................ 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 ........................................................ 20 致 謝 ........................................................... 21 基于 ANSYS 的汽車曲軸有限元分析 摘 要 曲軸是汽車發(fā)動機中重要零件之一，起著“承前啟后”的作用，曲軸主軸頸與連桿 大頭相連，承受來自活塞推力曲軸后端與飛輪相接，飛輪與汽車的傳動系統(tǒng)相連。曲柄 連桿機構(gòu)在工作過程中，受力情況非常復雜，曲軸連桿軸頸承受氣缸中燃氣壓力的分力、活塞連桿組的旋轉(zhuǎn)慣性力分力、活塞連桿組的往復慣性力，使曲軸承受彎曲扭轉(zhuǎn)載荷的 作用。課題以某汽車為例，研究該汽車發(fā)動機的曲軸上的一個曲拐。首先對其變形與應 力狀態(tài)進行有限元分析，用 Creo 對曲軸三維實體模型進行建模，再將實體模型導入 ANSYS 中進行靜力分析與模態(tài)分析，課題得出主軸頸與主軸頸上應力比較集中；曲軸動態(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 曲軸是汽車發(fā)動機中必不可缺的零件，起著“承前啟后”的作用。曲軸主軸頸與連 桿大頭相連，承受來自活塞推力，并且這種推力方向沿連桿軸頸表面時刻在變化，力的 大小也時時刻刻在變化。曲軸后端與飛輪相接，飛輪與汽車的傳動系統(tǒng)相連。這構(gòu)成了 汽車動力源的傳遞路線，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 則通過飛輪傳遞出去。曲柄連桿機構(gòu)在工作過程中，受力情況非常復雜，曲軸連桿軸頸 承受氣缸中燃氣壓力的分力、活塞連桿組的旋轉(zhuǎn)慣性力分力、活塞連桿組的往復慣性力， 所以在發(fā)動機工作過程中，曲軸很容易折斷，導致汽車報廢甚至危及人身安全。另外， 如果曲軸的剛度太差，在扭轉(zhuǎn)過程中可能產(chǎn)生很大的噪聲影響汽車駕駛性能。所以，研 究曲軸的強度與剛度對曲軸的設計生產(chǎn)具有非常重要的意義。 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 現(xiàn)今，汽車工業(yè)步入高速發(fā)展階段。在曲軸方面，國家引進先進制造設備，不斷提高曲軸鍛造工藝，使曲軸性能更加符合發(fā)動機運動工況，進一步提高汽車性能。同時投入大量資金與專項人才，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。球墨鑄鐵的價格低廉，且性能好， 尤其是其切削性良好，容易鍛造出伊始設計的形狀，球墨鑄鐵式曲軸同樣可以進行表面處理以增強材料性能，如耐磨性、強度等。據(jù)統(tǒng)計，美英日三國球墨鑄鐵式曲軸的市場占有率分別為 90%、70%、60%，其他一些歐美國家也大規(guī)模采用球墨鑄鐵式曲軸。我國中小型發(fā)動機基本上都采用球墨鑄鐵式曲軸，功率在 160KW 以上的發(fā)動機一般采用鍛鋼式鑄鐵。 曲軸的表面處理即強化處理有幾下幾種方式： 1.氮化處理。氮化處理前，要對零件表面進行清洗，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噴向零件表面，在零件表面形成一層 薄膜，這層薄膜具有一定的殘余應力。當零件受負載時，殘余應力可以抵消一部分負載， 從而達到增強零件性能的效果。 3.圓角滾壓處理。所謂圓角滾壓處理就是用一個滾輪與曲軸對滾，使曲軸有一定的預壓緊力。這個過程中，曲軸面產(chǎn)生一定的塑性變形，同時帶來一定的殘余應力，這些殘余應力的作用同噴丸處理相同，從而增強零件性能。曲軸圓角滾壓處理有切線滾壓、半精加工后滾壓、圓角沉割滾壓三種類型。切線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)同一種型號的曲軸。同時在加工過程中，會在連桿軸頸的側(cè)表面形成一個凸臺，這個凸臺需要在后期經(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)點是避免在滾壓過程中，曲軸表面起臺，其缺點使曲軸表面發(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，這削弱了滾壓的強化效果。而圓角沉割滾壓 綜合了以上兩種方法的優(yōu)點，并且克服了兩種方法的缺點，故這種強化方式被廣泛使用。 4.復合強化處理。所謂復合處理就是綜合多種強化處理方式共同加工，現(xiàn)代的復合處理主要是圓角滾壓與離子氮化相配合使用，這種強化方式技術(shù)要求較高，但是這種強化方式對曲軸性能的強化效果最好。 曲軸的主軸頸和曲柄銷的加工方式分為粗加工、半精加工和精加工三種。過去曲軸 的鍛造通常在車床上完成，同時配備多種刀具以滿足曲軸的工藝要求。這種傳統(tǒng)加工方 式逐漸被淘汰，因為車床加工對操作工的技術(shù)要求高。粗加工時，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，將會產(chǎn)生較大的內(nèi)應 力，曲軸在工作時非常不穩(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 是生產(chǎn)效率極低，通常一臺車床在同一時間只能加工某一零件的某一道工序，這就導致 了加工過程需要多種型號的車床以適應工作零件的多方面要求。而且車床的體積較大， 占用很大的空間，過去為了提高生產(chǎn)率只有通過多種工序分解，在不同的車床上流水線 式分序進行。近些年來，技術(shù)進步，出現(xiàn)了數(shù)控機床。數(shù)控車削機床與傳統(tǒng)車床相比， 刀具價格低廉，但缺點是只適合小批量的生產(chǎn)。數(shù)控銑床相當昂貴，而且其專用刀具的 價格也非常昂貴，優(yōu)點是適合大批量的生產(chǎn)，綜合來說，數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床相比，各 有其優(yōu)勢與劣勢。數(shù)控機床還具有傳統(tǒng)機床所不具備的技術(shù)，數(shù)控車——拉工藝、數(shù)控 車——車拉工藝。寬軸徑的零件用傳統(tǒng)機床非常難加工，而數(shù)控機床的這兩種技術(shù)能很 容易做到，并且用其加工出來的零件質(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)非常復雜，現(xiàn)在國內(nèi)沒有這種技術(shù)加工出這種刀具，一般都要通過進口來滿足其 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 世紀末，其優(yōu)勢在于適用范圍廣、自動化程度高、加工效率高、加工出的零件質(zhì)量高。現(xiàn)在 這種工藝已經(jīng)成為加工主軸頸和曲柄銷的主流加工方式。通過比較我們可以知道，數(shù)控 機床在加工曲柄銷的過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)勢還有切削效率高、工作時刀具溫度不高、刀具的壽命高。這減小的加工過程的繁 瑣程度，更重要的是提高了曲軸的生產(chǎn)效率。德國 BOEHRINGER 是專門生產(chǎn)這種高速外銑機床的公司，這種機床加工技術(shù)非常成熟，在銑曲軸的過程中。如果一道工序中涉及 多個工作平面，這種機床可以做到不改變曲柄銷的軸線而對其加工，且其加工精度非常 高。這種機床還具有非常高的自動化程度，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、靜壓導軌、靜壓 進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(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)控砂帶拋光機進行超精加工，經(jīng)超精加工后的曲軸軸頸表面粗糙度至少提高一級精度。如 GF70M—T 曲軸磨床是日本 TOYADA 工機開發(fā)生產(chǎn)的專用曲軸磨床，是為了滿足多品種、低成本、 高精度、大批最生產(chǎn)需要而設計的數(shù)控曲軸磨床。該磨床應用工件同轉(zhuǎn)和砂輪進給伺服聯(lián)動控制技術(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，包括隨動跟蹤磨削連桿軸頸； 采用靜壓主軸、靜壓導軌、靜壓進給絲杠(砂輪頭架)和線性光柵閉環(huán)控制，使用 TOYADA 工機生產(chǎn)的GC50 CNC 控制系統(tǒng)，磨削軸頸圓度精度可達到 0.002mm；采用 CBN 砂輪，磨削線速度高達 120m／s，配雙砂輪頭架，磨削效率極高。 發(fā)動機是汽車的根本，許多發(fā)達國家都致力于制造高性能的發(fā)動機。目前提高發(fā)動機輸出效率的方法有增壓法、使用多缸發(fā)動機、調(diào)高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等方法。發(fā)動機正向著增壓、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)動機的心臟， 正面臨著安全性和可靠性的嚴峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)材料和制造工藝已無法滿足其功能要求，市場對曲軸材質(zhì)以及毛壞加工技術(shù)、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴格。如果其中任何—個環(huán)節(jié)質(zhì)量沒有得到保證，則可嚴重影響曲軸的使用壽命和整機的可靠性。世界汽車工業(yè)發(fā)達國家對曲軸的加工十分重視，并不斷改進曲軸加工工藝。隨著 WTO 的加入，國內(nèi)曲軸生產(chǎn)廠家已經(jīng)意識到形勢的緊迫性，引進了為數(shù)不少的先進設備和技術(shù)，以期提高產(chǎn)品的整體競爭力，使得曲軸的制造技術(shù)水平有了大幅提高，特別是近 5 年來發(fā)展更為迅猛。 目前國內(nèi)轎車曲軸生產(chǎn)線多為高速柔性生產(chǎn)線 FTL，這種生產(chǎn)線的特點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。為進一步提高高速柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率．更快的適應 市場，F(xiàn)TL 未來發(fā)展是敏捷柔性生產(chǎn)線 AFTL。 其主要目的是：滿足市場變化的需求。不但滿足當前產(chǎn)品的耍求，還應考慮未來市場需求。滿足生產(chǎn)方式的需求。能滿足現(xiàn)代 發(fā)動機“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，用最少投資、最大回報謀取利潤。由于發(fā)動機曲軸自身結(jié)構(gòu)的特殊性．曲軸 ATFL 應具備以下特點：由高速加工中心和高效專用機床(含少量組合機床)組成。按工藝流程排列機床并由自動輸送裝置連接，采用柔性夾具和高 效專用刀具生產(chǎn)。為防止關(guān)鍵工序設備故障造成全線停產(chǎn)，可增設平行設備增補，亦能滿足大批量生產(chǎn)的需要[1-5]。 1.3 有限元法簡介 有限元軟件主要有結(jié)構(gòu)靜力學分析、結(jié)構(gòu)動力學分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲場分析、壓電分析、疲勞斷裂及復合材料分析，其功能十分廣泛且強大。ANSYS 主要通過建模、網(wǎng)格劃分、加載和求解、后處理來實現(xiàn)分析。課題主要使用結(jié)構(gòu)靜力學模塊，結(jié)構(gòu)靜力學分析屬于線性分析。線性分析一是只材料是線性的，即應力應變關(guān)系是線性的，變形是可恢復的；二是指變形不會 改變小范圍內(nèi)的位移、應變、轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)剛性。概括地來說就是結(jié)構(gòu)靜力學分析用于確定加載結(jié)構(gòu)的位移、應力、應變[6-11]。 1.4 課題主要研究內(nèi)容 本課題主要研究曲軸在負載下的變形與應變?？梢酝ㄟ^ Creo 對某汽車發(fā)動機的曲軸進行建模，然后將得到的實體模型導入 ANSYS 得到有限元模型，通過有限元分析得出變形圖與應力圖，分析其結(jié)果，提出更優(yōu)的建議；另外對曲軸做模態(tài)分析，分析其結(jié)果。 2 汽車曲軸的設計計算 2.1 汽車曲軸的功用及結(jié)構(gòu)特點 2.1.1 曲軸功用及結(jié)構(gòu)特點 曲軸在汽車發(fā)動機中起承前啟后的作用，即承受活塞連桿對其的推力，并將其傳遞給飛輪，轉(zhuǎn)矩則通過飛輪傳遞給汽車傳動系，這一過程不僅起傳遞的作用還改變力的方向，將活塞連桿的直線運動轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)運動。曲軸上還裝有定時齒輪與帶輪，定時齒輪用來驅(qū)動配氣機構(gòu)中的凸輪軸，帶輪用來驅(qū)動風扇和水泵。故曲軸與配氣機構(gòu)、冷卻系統(tǒng)以及動力傳動系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系，是發(fā)動機中不可或缺的零件。 曲軸由前后端、主軸頸、曲柄和連桿軸頸構(gòu)成。一個連桿軸頸和其兩端的曲柄、前后兩端的主軸頸構(gòu)成一個單元的曲拐。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)動機中，曲軸曲拐數(shù)與氣缸數(shù)相等；在 V 型發(fā)動機中，曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。 曲軸前端也稱為自由端，是一根軸。在這根軸上裝有驅(qū)動配氣機構(gòu)中凸輪軸的定時齒輪、驅(qū)動風扇和水泵的皮帶輪以及起動爪等。曲軸前端還裝有一個甩油盤，甩油盤在隨曲軸旋轉(zhuǎn)的過程中，可以避免機油外泄。工作原理是當機油由于離心力的作用，甩落在盤上的機油會飛濺到定時齒輪室蓋的壁面上，隨后沿著壁面流回油底殼，少量機油殘余在油盤前的軸上，這部分機油借由油封擋住。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，回油螺紋旋向應是右旋的，因為在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中，機油具有一定粘度，必然受到摩擦力，如果使用的是右旋螺紋，摩擦力的一個分力會使機油流回油底殼。 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 曲軸的相鄰兩個曲拐都有一個主軸頸來連接，否則則為非全支撐曲軸。由此可見，全支 承曲軸和非全支撐曲軸的適用方面不同?？偟亩?，全支承曲軸與非全支承曲軸相比， 剛度和彎曲強度都要大，這也就是為什么在大負荷柴油機中，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（全支承曲軸和非全支撐曲軸）有關(guān)。在直列 發(fā)動機中，如使用全支承方式，其主軸頸的數(shù)目比氣缸數(shù)多一個；在 V 形發(fā)動機中，如使用全支撐方式，其主軸頸個數(shù)比氣缸數(shù)的一半多一個。另外，曲軸也可分為整體式和 組合式。一般來說，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置平衡重，平衡重是為了平衡發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的不平衡的離心力矩，能讓發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的同時保護曲軸等零件。在一些負荷大的發(fā)動機中，如不設平衡重，曲軸很容易因斷裂破壞使發(fā)動機報廢。但有些發(fā)動機不設置平衡重，這就要綜合考慮發(fā)動機的負載。有些發(fā)動機曲軸采用全支承方式，剛度與強度足夠大，此時再設置平衡重，就會消耗一部分功率，使輸出功率下降，影響發(fā)動機性能。 連桿軸頸是連接連桿和曲軸的部分，也稱為曲柄銷。連桿的大頭形狀其實是兩個半弧形，在連桿大頭與曲柄銷之間夾裝軸瓦，連桿大頭與曲柄銷通過螺栓連接。軸瓦與連桿大頭上都開有孔，潤滑油可以通過這些孔道潤滑曲柄連桿機構(gòu)。 曲軸的形狀和曲拐相對位置(即曲拐的布置)取決于氣缸數(shù)、氣缸排列和發(fā)動機的發(fā)火順序。在安排發(fā)動機發(fā)火次序時，要滿足兩個原則。一是盡量使連續(xù)做功的兩缸相距盡可能遠，這是考慮到旋轉(zhuǎn)時的離心力而提出的，假設發(fā)動機發(fā)火次序按照 1—2—3—4 來設置。那么當前兩缸做功時，曲軸后端所受負荷非常大，同樣在后兩缸做功時，曲軸前端所受負荷也非常大，這對曲軸使用壽命是非常不利的。第二個原則是做功間隔盡量均勻，即在曲軸旋轉(zhuǎn)兩周時，每一缸都必須參與做功一次。這是為了保證發(fā)動機工作平穩(wěn)，同時也保證氣缸利用率，即提高發(fā)動機輸出功率。這就是為什么現(xiàn)在所有四缸汽車發(fā)動機要按照 1—2—4—3 或者 1—3—4—2 的發(fā)火次序來進行，六缸發(fā)動機按照 1—5—3 —6—2—4 或者 1—4—2—6—3—5 的發(fā)火次序來進行。 2.2 運動學及動力學分析 2.2.1 曲軸設計要求 根據(jù)上述曲軸的損壞形式及其原因，且為避免這些損壞，曲軸在設計過程中應盡量滿足以下的要求： 1. 具有足夠的疲勞強度，以保證曲軸工作可靠。盡量減小應力集中，加強薄弱環(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. 曲柄的排列應合理，以保證柴油機工作均勻，曲軸平衡性良好，以減少振動和主軸承最大負荷； 5. 材料選擇適當，制造方便； 2.2.2 載荷確定 實際的曲軸是一個多支承的靜不定系統(tǒng)：隨沖程的進行，曲軸所受負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，每段當做簡支梁進行分析；又根據(jù)每段結(jié)構(gòu)、載荷和約束的對稱性，本課題只分析一個連桿軸頸的變形量和應力[12-15]。 實踐和理論分析表明，對于各種曲軸，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） ??——氣缸直徑，取 125mm； ??——做功行程中氣缸內(nèi)的最高壓力，取 5MPa。 2)連桿總成的往復慣性力????1和活塞組的往復慣性力????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壓力最大時，其值為： ?????????? = ???? ? ????1 ? ????2 ? ????3 = 44736.5N （5） 曲軸所受的最大拉伸載荷在進氣沖程開始的上止點附近，其值為： ?????????? = ????1 + ????2 + ????3 = 16622.5N （6） 曲軸的兩種計算工況分別對應于上述 2 種最大載荷，如圖 2.1 所示： 圖 2.1 曲軸兩種計算工況示意圖 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。對應的連桿軸頸上的均布壓強??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 時為??????????，工況 2 時的載荷為??????????積 分后得到 2 種工況對應的均布壓強： ???? = 17.980MPa ???? = 6.684MPa 2.3 曲軸零件的結(jié)構(gòu)設計 某汽車曲軸全長為 1004mm, 主軸頸與曲柄銷的長度為 85mm, 主軸頸與曲柄銷的直徑分別為 180mm、95mm。曲軸采用全支承式。 3 基于 Creo 的汽車曲軸的建模 3.1 曲軸模型簡化 曲軸主要由曲柄、曲柄銷和主軸頸三個部分組成，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 三維實體建模就是建立曲拐與主軸頸，然后根據(jù)發(fā)動機氣缸數(shù)將曲拐進行復制得到最終的曲軸模型。 3.2 曲軸實體建模 在做整個曲軸的靜力分析中，曲軸的受力情況非常復雜，所以在這里做了一個簡化。以單個曲拐為例做靜力分析。進入拉伸命令的草繪界面，畫一個直徑為 180mm 的圓，拉 伸長度為 85mm，這就形成了一個主軸頸，可以利用鏡像復制命令創(chuàng)建另一個主軸頸。再次進入拉伸命令的草繪界面，畫一個直徑為 85mm 的圓，拉伸長度為 95mm，這就形成了一個連桿軸頸，曲柄也是通過拉伸命令創(chuàng)建。單個曲拐模型如圖 3.1 所示。 圖 3.1 曲拐模型 4 基于 ANSYS 的汽車曲軸有限元分析 4.1 曲軸有限元模型建立 依次 ANSYS—workbench—Static Structural—Engineering Data，設置彈性模量、泊松比和密度。課題選用的某型轎車，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 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 曲軸靜強度分析 4.2.1 網(wǎng)格劃分 點擊 mesh，在 sizing—Element Size 一欄中輸入 0.001，即單元邊長為 1mm。生成的有限元模型如圖 4.3 所示。點擊 Statistics 可查看生成的單元數(shù)目，共 536137 個節(jié)點， 315025 個三角形單元。 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和力的方向與大小。當活塞處于做功行程中氣缸中壓力達到最大時，連桿施加于連桿軸頸上的負載上面設計計算已經(jīng)求出，為 17.980MPa，方向為連桿大頭與連桿軸頸接觸點指向連桿軸頸軸線；當活塞處于臨近進氣沖程開始時，連桿施加于連桿軸頸上的負載也由上面的設計計算求出，為 6.684MPa，方向為連桿大頭與連桿軸頸接觸點指向連桿軸頸軸線。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 中添加變形與應力，分別求解。當活塞處于做功行程中氣缸中壓力達到最大時的位移變形圖如圖 4.6 所示，等效應力云圖如圖 4.7 所示；活塞處于臨近進氣沖程 開始時的位移變形圖如圖 4.8 所示，等效應力云圖如圖 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)壓力達到最大時，連桿軸頸表面變形量最大，最大變形量為 0.012mm，此值滿足設計要求。 圖 4.7 曲軸等效應力云圖 由圖可知，做功沖程階段且氣缸內(nèi)壓力達到最大時，連桿軸頸整個曲面與相鄰的主軸頸的整個曲面受應力較大，其值大概為 40.3MPa。 圖 4.8 曲軸位移變形圖 由圖可知，活塞在進氣沖程臨近開始的上止點附近，連桿軸頸表面變形量最大，最大變形量為 0.0038mm，此值滿足設計要求。 圖 4.9 曲軸等效應力云圖 由圖可知，活塞在進氣沖程臨近開始的上止點附近，連桿軸頸整個曲面與相鄰的主軸頸的整個曲面受應力較大，其值大概為 15.3MPa。 4.2.4 模態(tài)分析 依次 ANSYS—workbench—Static Structural—Engineering Data，設置彈性模量、泊松比和密度。課題選用的某型轎車，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 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 點擊 mesh，在 sizing—Element Size 一欄中輸入 0.005，即單元邊長為 5mm。生成的有限元模型如圖 4.11 所示。點擊 Statistics 可查看生成的單元數(shù)目，共 45651 個節(jié)點， 26005 個三角形單元。 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，課題選取的某汽車發(fā)動機，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頻率最低的為 3763HZ，不在共振頻率范圍內(nèi)，故這根曲軸的動態(tài)性能是滿足的。 4.3 提出優(yōu)化方案 使變形量更小和減小應力集中有幾種方案。一是更換曲軸材料，上述的某汽車曲軸材料采用的是 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 對曲拐進行建模，然后用 ANSYS 對其進行靜力分析、模態(tài)分析。得出曲拐在理想狀態(tài)下的位移變形圖、等效應力云圖、前六階的振型圖。為改進曲軸提供了理論依據(jù)。 做功沖程階段且氣缸內(nèi)壓力達到最大時，連桿軸頸表面變形量最大?；钊谶M氣沖程臨近開始的上止點附近，連桿軸頸表面變形量最大。 課題選取的某汽車發(fā)動機，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頻率最低的為 3763HZ，不在共振頻率范圍內(nèi)，故這根曲拐的動態(tài)性能是滿足的。 以上的計算、建模和分析都是在一定簡化基礎上進行的，故所得結(jié)果并非完全正確。但因本人能力不足與時間的緊促，未能做出一個完全切合現(xiàn)實的結(jié)果。在研究的過程中， 遇到的一些需要后來研究工作者深入完善的問題： 1. 曲柄連桿機構(gòu)在工作時，受力情況非常復雜，計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載不是精確的。 2. 在使用 Creo 對曲軸建模時，對其進行了簡化，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力與實際有誤差。 參考文獻 [1] 姜鴻宇,黃春元.國內(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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[15] 李波. 4V75 柴油機曲軸系設計及 CAE 分析[D]. 湖南大學，2012. 致 謝 本課題從 2017 年 11 月到 2018 年 5 月中旬，歷經(jīng)七個多月的時間完成。其最初的審題表、開題報告、大綱都是在智淑亞老師的悉心指導下完成的，這為研究這個課題奠定了堅實的基礎。每個星期智淑亞老師都會給我們集中輔導，主要指出我們論文中出現(xiàn)的原則性錯誤與格式上的不規(guī)范。例如，最先我在做曲軸的設計計算部分時，因使用的公式錯誤，計算出來的施加于連桿軸頸表面的力高達六萬多牛，在用 ANSYS 做有限元分析時，曲軸的最大變形量多達 1cm。我對這些結(jié)果沒有概念，更不知道到底符不符合實際情況。智淑亞老師及時給我指出這個問題，后來我及時更換公式計算，最終得出一個更為負荷實際情況的結(jié)果。 到寫本課題的后期，我遇到了一些問題，如 ANSYS 的使用與對位移變形圖、等效應力云圖、振型圖的分析都得到了同學與老師的傾囊相助。