曲轴课程设计说明书.docx

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曲轴课程设计说明书

四拐曲轴课程设计说明书

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指导教师：

2012年1月16日

目录

引言................................................................................................3

1.四拐曲轴概况.............................................................................4

1.1四拐曲轴的结构特点........................................................4

1.2四拐曲轴工作情况..............................................................4

1.3四拐曲轴设计要求............................................................5

1.4四拐曲轴的材料选用...........................................................5

2.四拐曲轴UG建模……..............................................................6

2.1建模步骤…................................................................…...6

2.2建模形成图……..............................................................10

3.四拐曲轴ANSYS有限元分析..................................................10

3.1倒入模型............................................................................10

3.2材料选择............................................................................11

3.3网格划分............................................................................11

3.4施加约束和载荷................................................................12

3.5求解结果操作....................................................................13

3.6结论....................................................................................15

4.总结……....................................................................................16

参考文献……...............................................................................16

引言

曲轴是发动机里必不可少的部件。

它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。

曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。

随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件越来越恶劣了。

因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重了。

在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得经济最合理的效果因此，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。

我们的课程设计主要研究的是四拐曲轴的相关动力性能及强度计算。

我们运用所学的《工程制图》、《机械制造基础》、《工程材料》、《UG建模》、《CAD/CAE/CAM》技术与应用等课程，综合大学中所学的课程进行曲轴的分析校核设计。

通过研究曲轴的工作过程以及加工工艺过程，以及曲轴的三维实体建模和ANSYS强度分析计算，使我们理论结合实践，提高实际操作能力，增强自身的核心竞争力，在课程设计的过程中具体目标有如下几个：

1、分析曲轴工作环境，性能要求以及材料等；

2、根据图纸进行三维实体建模；

3、对模型进行有限元分析；

4、根据有限元分析的结果进行强度分析。

课程设计说明书

1.四拐曲轴概况

1.1四拐曲轴结构特点

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。

曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、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。

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，曲柄处经常设置平衡重。

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。

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型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。

1.2曲轴工作情况

曲轴，它是一根拐了几道弯的轴。

曲拐数取决于发动机有几个气缸以及它的排列方式，一根连杆连一个曲拐的，其曲拐数等于气缸数；两根连杆连一个曲拐的，其曲拐数为气缸数的一半。

曲轴要求耐冲击、耐磨，一般都用中碳钢或中碳合金钢锻造而成，也有用球墨铸铁铸造成的曲轴。

带飞轮的曲轴。

位于转动中心的主轴颈，它借助坟轴瓦和曲轴箱相连。

不在转动中心的轴颈叫连杆轴颈或曲柄销，它借助于连杆轴瓦和螺栓与连杆相连。

由于曲轴要在高速下旋转，所以它需要不间断地用机油对磨擦表面加以润滑。

因此在曲轴的主轴颈、连杆轴颈的曲轴本体内都钻有油道，以便机油能通过这些油道，润滑这些部位。

由于曲轴的形状很不规则，转动起来就会晃动，行家称这种现象为不平衡。

如果发动机工作时人造棉其发展，不但会产生极大的噪声，而且机件的寿命也大大地缩短。

造成不平衡的主要原因是曲轴旋转时产生了不规则的离心力和离心力矩，另外还有活塞往复运动的惯性力。

对于气缸数不同的发动机，这些力和力矩有的存在，有的不存在。

因此需要根据具体的结构设置平衡块加以平衡。

有的平衡块和曲轴制成一体，也有用螺栓固定在曲轴上的。

1.3曲轴的设计要求

曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。

这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体摩擦，尤其当润滑不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。

所以设计时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件。

要求如下：

1）具有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。

尽量减小应力集中，加强薄弱环节；

2）具有足够的弯曲和扭转刚度，使曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆组及轴承的工作条件；

3）轴颈就有良好的耐磨性，保证曲轴和轴承有足够的寿命；

4）曲柄的排列应合理，以保证柴油机工作均匀，曲轴平衡性良好，以减少振动和主轴承最大负荷；

5）材料选择适当，制造方便。

1.4曲轴的材料选用

目前,国内普遍使用的曲轴材料主要有锻钢和球墨铸铁2类。

锻钢材料一般为中碳钢和中碳低合金钢,如45钢、53钢、35CrMo、40Cr等。

球墨铸铁曲轴牌号有QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT900-2、QT900-5。

工业强国的球墨铸铁生产比重较大。

在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定着曲轴的体积、重量和寿命。

因此，必须根据内燃机的用途及强化强度，正确的选用曲轴材料，在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料。

以铸代锻，以铁代钢。

作为曲轴的材料，除了应具有优良的机械性能以外，还要求有高度的耐磨性，耐疲劳性和冲击韧性。

同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉。

球墨铸铁比钢轻约10%,无残留应力,加工时产生的缺陷少,而且球墨铸铁减振性、耐磨性、对缺口敏感性等优于锻钢。

铸造曲轴与锻造曲轴相比,可使连杆轴径中空,减轻回转质量,且可减少轴拐角处的应力集中。

球墨铸铁曲轴,尤其是铸态球墨铸铁曲轴,具有生产工艺简单、能源消耗少、生产成本低、生产效率高等优点。

因此，本次设计我们采用球墨铸铁（具体参数见ANSYS分析中的材料选择）。

2.四拐曲轴UG建模

UG软件是SiemensPLMSoftware公司推出的大型CAD/CAM交互式系统。

在工业设计、产品设计、NC加工、模具设计等方面，UG都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。

用UG创建的三维参数化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体，更可以进行方便的动态修改和调整。

我们选用UG进行四拐曲轴的建模。

2.1建模步骤

1）创建固定基准平面。

在平面上建立草图，拉伸

2）建立草图，并按轨迹进行扫掠

几何体求差，面倒圆。

形成如图

3）建立草图，并反向拉伸1mm，求差

4）建立草图（圆），拉伸

5）创建固定基准面，沿基准面产生镜像体。

连杆轴面倒圆

6）建立草图，拉伸，镜像（对称形成）

7）镜像，旋转，移动之后形成

8）建立草图，拉伸（一边3个圆柱，另一边2圆柱）

9）草图建立，选点打孔

（此图螺纹孔、阶梯孔简化）

细节图如下

2.2建模形成图

3.曲轴ANSYS有限元分析

ANSYS有限公司由JohnSwanson博士创建于1970年，该公司开发利用计算机技术进行工程分析的软件。

ANSYS有限元程序是ANSYS有限公司的主要产品。

它开发初期是为了用于电力工业，现在已能满足从汽车、电子到宇航、化学等大多数工业领域有限元分析（FEA）的需要。

ANSYS软件作为一个大型、通用的有限元程序，其功能已为全世界所公认。

ANSYS是迄今为止世界范围内唯一通过IS09001质量认证的分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME），美国核安全局（NQA）及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。

ANSYS是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在17个部委推广使用的分析软件。

ANSYS软件具有结构、热、电磁、流体分析等强大的功能。

该软件采用APDL参数化设计语言,能和AutoCAD,UG,I-DEAS,PRO/E等多种CAD软件接口，因此本设计采用ANSYS软件进行有限元分析。

3.1导入模型

打开Ansysworkbench，双击StaticStructural弹出如下对话框右击Geometry点击Browse导入UG模型，然后双击Model导入图形。

3.2材料选择（下图）

3.3网格划分

由于曲轴结构复杂，利用有限元软件进行建模时很难保证与图纸上的曲轴结构完全一致，因此建模时必须简化。

为了减少应力集中，曲轴上不同截面的结合处都有半径不一的倒角，如果在建模时考虑这些倒角和油孔，则会使有限元的网格非常密集，这就大大地增加了模型的单元数量，花费大量的求解时间，而且生成的网格形状也不理想，降低了求解精度，因此在整体曲轴建模时仅考虑主轴颈、曲轴轴颈与曲拐连接处的过渡圆角。

单元网格密度为5mm,采用默认算法，自动生成网格为下图所示；

3.4施加约束和载荷

1）约束

曲轴图示处与轴承相接触，施加约束限制两个转动和两个移动如下图所示

2）载荷

任何实际结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性，因此给结构模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。

在结构分析涉及到的所有载荷中，惯性载荷相对于整体笛卡儿坐标系施加于整个模型，除此之外，其它载荷既可以施加于实体图元（点、线、面），也可以施加在有限元模型上（结点、单元）。

载荷可以进行施加（Apply）、删除（Delete）、运算（Operate）。

添加载荷1500N：

3.5求解结果操作

点击solve进行计算，结果如下

1）总形变云图

2）应力云图

应力最大处为主轴颈与曲臂接触的过度圆角处，如图所示，最大数值为1.4335e6Pa。

过渡圆角处有较大集中应力，故此处为最危险的地方，所以工作状况应主要考虑此处，在设计的方面也应对此处进行加强，确保其能正常工作。

3）应变云图

由图可见，平衡配重处为最大变形点，最大形变量为7.2263e-6m，形变量最小处为与配重对应的主轴颈上端，形变量为7.1194e-13m。

4）安全系数

曲轴的安全系数即曲轴强度的储备系数，它表示曲轴本身的疲劳强度与工作应力之比。

3.6结论

该曲轴的应力集中主要出现在连杆轴颈下侧与主轴颈上侧过渡圆角处，该曲轴的强度不能达到要求，扭转作用对发动机曲轴应力值的影响较小。

网格的划分及单元选择对有限元分析结果有较大的影响。

并且采用有限元分析，使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一步。

从而减低设计周期，减少工作量，费用更低，质量更高。

并且通过应力分布图可以直观的得到曲轴圆角处得应力情况,这对于今后改进曲轴的结构具有极其重要的作用。

4.总结：

自己写

参考资料

[1]张洪才.ANSYS14.0工程实例解析与常见问题解答.北京:

机械工业出版社,2013

[2]周龙保.内燃机学.北京：

机械工业出版社，2012.1

[3]袁兆成.内燃机设计.北京：

机械工业出版社，2012.1

[4]王定标,郭茶秀,向飒.CAD/CAE/CAM技术与应用.北京：

化学工业出版社，2005.4