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2100
柴油机
曲轴
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2100柴油机曲轴系设计,2100,柴油机,曲轴,设计
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内燃机课程设计说明书基于三维有限元法的曲柄销圆角应力分析内燃机课程设计说明书学 院 机械工程学院 专 业 热能与动力工程 年 级 2009级 姓 名 付 曦 指导教师 高文志 谭从民 刘月辉 2013 年 3 月 25 日内燃机课程设计说明书题目：基于三维有限元法的曲柄销圆角应力分析学生姓名 付 曦 学院名称 机械工程学院 专 业 热能与动力工程 学 号 3009201257 目录一、概述41.1 2100T柴油机的基本参数41.2 2100T柴油的整机特点4二、课程设计的对象及流程6三、曲轴三维模型的建立6四、曲轴有限元网格的划分74.1 四面体网格74.2 六面体网格8五、曲轴有限元边界条件的确定85.1 曲轴受力分析85.2 施加曲轴力边界条件105.3 施加曲轴支撑边界条件13六、曲轴有限元计算结果分析136.1 材料属性的定义136.2 模态分析146.3 应力分析14七、结论16一、概述1.1 2100T柴油机的基本参数21缸径D=100mm；冲程S=120mm；压缩比=16；额定功率Ne=18.4kW；额定转速n=2000r/min；比油耗ge252g/(kWh)曲柄半径R=60mm；连杆长度l=200mm；连杆比=0.3；气缸工作容积Vh=D2S/4=0.0654m2；标定功率为110Nm；启动方式为电动或手动；活塞总排量为1.88L；平均有效压力为7.03kg/cm2；活塞平均速度为v为6m/s；润滑系统有压力和飞溅复合式；发火顺序从飞轮端视为12； 标定工况下个温度总管排气温度 520摄氏度（22马力1500转/分）；机油温度 100；冷取水出水温度7080；进出水温度15； 配气定时：（以曲轴转角计）进气门开上止点前18 5；进气门关下止点后52 5；排气门关下止点后18 5；排气门关上止点后18 5；燃油提前角：上止点前 22 25； 气门间隙：进气门与摇臂间隙（冷车） 0.30毫米；排气门与摇臂间隙（冷车） 0.35毫米。1.2 2100T柴油的整机特点 外形布置特点2100T型柴油机结构紧凑，外廓尺寸不大。其外形布置的特别之处主要在于进排气门的两侧布置和供油系统和电启动系统的分开布置。2100T型柴油机是顶置式气门机构。与侧置式相比，结构较为复杂，零件数目较多，在高速往复运动中，使震动和噪声增加，可靠性降低。 主要零部件结构特点 活塞连杆组活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆螺栓、轴瓦等组成。2100柴油机活塞顶部有一浴盆形深坑，活塞头部加工有安装活塞环的活塞环槽，活塞裙部较长和受侧向里，活塞呈椭圆形。2100型柴油机采用圆柱形中空活塞销，利于减少离心惯性力的影响。一般采用优质低碳钢或低碳合金淬火。 曲轴飞轮组曲轴的材料采用高优质的球墨铸铁，制造方便，成本低。曲轴由前端、曲拐、曲轴后端及平衡重组成，主轴颈直径粗而短，以提高刚度，主轴颈为空心，曲柄销也是空心，既可以减少重量，又可以减少离心力。2100型是枣核型空腔。 配气正时传动机构凸轮轴上的凸轮通过气门挺柱、气门推杆和摇臂驱动进、排气门，控制进、排气门得开闭时间。机体和凸轮轴前端装有定距环和止推片。承受凸轮轴的轴向推力。其轴向间隙为0.100.24毫米。在机体的主轴承上还有油孔和凸轮轴承孔相通。凸轮轴和喷油泵均由曲轴前端的正时齿轮经过中间惰轮驱动。机油泵则由曲轴正时齿轮通过其下过机油泵上的中间齿轮驱动。气门的材料选耐热、耐磨，耐腐蚀的齿轮。进气门工作温度低，一般采用合金钢。排气门则用耐热合金钢如4CrSi2等。 机体组机体内嵌有高磷铸铁制成的湿式汽缸套，其上部的缸套凸缘的下端面边缘在机体缸孔的肩胛上，下部以两只橡胶做的防水圈密封。在机体右侧面有检查窗口，为拆装活塞连杆和检视曲轴连杆机构及轴承。机体上平面除了气缸孔和气门推杆孔外，还有一个通向气缸摇臂轴的润滑油孔及以下与气缸盖相同的冷却水孔。气缸盖装于气缸体上部，用于密封。气缸的上平面与气缸和活塞顶部共同组成燃烧室。气缸盖材料和机体相同，采用灰铸铁。 燃烧系统分析2100T型柴油机燃烧室是深坑形燃烧室，这样燃烧室是不与冷却水直接接触的，可以减少散热损失，燃烧室布置时本要求与喷油嘴以及气缸在同一中心线上。 燃料供应系统柴油机燃料供应系统包括油泵、柴油滤清器、输油泵、柴油细滤器、喷油泵和燃烧室等。柴油由油泵首先进入沉流杯，柴油中的水及其基本机械杂质沉积于杯中，较清洁的柴油经管道流向柴油滤清器。同时设有两级滤清器，分别滤除大小颗粒不同的杂质。经过滤清的柴油由输油泵压入喷油泵内。输油泵的作用是提高泵油的压力，以克服流动阻力，定时定量的向喷油泵供油，输油泵装在喷油泵上，利用喷油泵凸轮轴上的偏心推动压油。柴油进入油泵后，一部分通过柱塞的压缩使油压提高，高压油按各缸工作次序流向各缸喷油器，然后喷入燃烧室进行燃烧，多余的柴油则经回油管流回柴油滤清器。 润滑系统2100T型柴油机的润滑系统为湿式曲轴箱，压力循环与飞溅复合供油式。油底壳内的机油经过吸滤器的滤网被机油泵吸入，再压送至机油滤清器，经过滤清的机油被送入机体内的主油道。机油由此分为两路：一路通至各主轴承，并经过曲轴内侧的油孔到达曲柄销，主轴承上还有油孔与各凸轮轴轴承孔向通。凸轮轴后轴承并有一经过机体与气缸盖到达摇臂轴内的油孔，另一路经过惰轮轴和惰轮轴辐板流出，润滑惰轮轴及传动齿轮。即曲轴、连杆大头、凸轮轴、摇臂等轴承与传动齿轮均为压力润滑；而气缸套与活塞、连杆衬套及活塞销、凸轮表面等处则为飞溅润滑。喷油泵与减速器单独成一系统，另外加油润滑。 冷却系统2100T型柴油机的冷却介质是水，即水冷系统是强制冷却。水冷系统是由散热器、空气-蒸汽阀、风扇、水泵等部件组成。利用装在水流通路内的水泵，向内燃机压力供水，强制冷却。风扇用来增加流经散热器芯部空气的流量，以提高散热器的散热效率。此外，为控制冷却水强度，在出水处装有计温计。二、课程设计的对象及流程对象：2100柴油机曲轴飞轮流程：图2.1 工作流程图三、曲轴三维模型的建立根据内燃机课程设计教材的零件图绘制2100柴油机的曲轴飞轮，如图3.1所示，图3.1 曲轴飞轮三维模型图利用ProE进行三维图的绘制，主要用拉伸，旋转，孔，倒圆角，阵列等功能，其中主要参数有：1) 主轴颈半径为75mm；2) 连杆轴颈半径为65mm；3) 连杆轴颈长度为39mm；同时为方便计算，做了如下几点简化：1) 曲轴飞轮的三维图中，飞轮只画出大致轮廓，并未针对细节进行绘制，同组常亚飞同学绘制的飞轮的完整三维图；2) 曲柄销及主轴颈处的减重孔简化为规则的直孔；3) 曲柄处的减重将实际曲轴的曲线拉伸切割改为直线拉伸切割；4) 省略了曲柄销的油孔；5) 单个曲拐中只保留了曲柄销圆角，简化了主轴颈处的圆角。针对曲轴模态分析及曲柄圆角的强度分析，以上简化对计算结果并无太大影响，且可以省略计算量，因此简化具有合理性。 绘制完整曲轴是为计算整个曲轴飞轮的模态，协助霍森同学验证曲轴的扭振频率以及验证有限元模型的正确性，而单个曲拐则是为了计算曲柄销圆角的应力，分析其疲劳强度。在单个曲拐的三维图中，保留曲柄销圆角，在计算时加密此处的网格划分，可得到较为精准的曲柄销圆角应力值，而简化主轴颈处圆角则是为方便整体的网格划分，简化计算。四、曲轴有限元网格的划分4.1 四面体网格将ProE中画好的曲轴三维图保存成stp.格式，导入Patran进行10节点四面体网格的自动划分，软件自动将网格密度值定义为30，为精确计算结果，将网格密度值设定为12，得到曲轴四面体网格如图4.1所示，有15216个节点和9223个单元。图4.1 单个曲拐的四面体网格图4.2 六面体网格六面体网格在Patran中不能自动划分，所以使用Hypermesh进行六面体网格的手动划分。首先在Hypermesh中导入半个曲拐的三维模型，然后将实体分隔成主轴颈、曲柄臂和连杆轴颈三部分，这样可便于网格的划分。其次划分网格的大致步骤为在一个面上划分2D网格，然后通过拉伸功能创建三维网格，最后将画好网格的半个曲拐通过映射功能得到一个完整曲拐的六面体网格。在划分六面体网格时，由于时初次使用软件手动划分网格，减重孔为网格划分带来了较大的困难，因此去掉了曲柄销和主轴颈处的减重孔。由于主要计算曲柄销圆角处的应力，去掉主轴颈减重孔对计算不会造成太大影响，但连杆轴颈处的减重孔可能会对计算结果造成一定误差。最后得到曲轴六面体网格如图4.2所示，有26300个节点和22868个单元。图4.2单个曲拐的六面体网格图五、曲轴有限元边界条件的确定5.1 曲轴受力分析质量估算：（利用ProE绘制的三维图得到质量）连杆质量mL=1.89kg连杆大头m1=2mL/3=1.26kg连杆小头m2=1mL/3=0.63kg活塞质量为1.15kg，活塞销质量为0.46kgmh=1.15+0.46=1.61kgmj=mh+m1=2.24kg （用于计算往复惯性力）不平衡回转部分的质量：m=mg+2mb/R+m2=2.63kg （连杆轴颈与曲柄臂、连杆大头的质量之和）m=2.62kg（平衡重的质量）上述两个不平衡部分的质量近似相等，且回转半径也大致相同，因此两个不平衡部分产生的离心惯性力可大致抵消，在受力分析中可忽略离心惯性力，主要以往复惯性力及气体压力作为计算依据。图5.1 曲轴活塞受力分析图根据曲轴活塞受力分析图5.1，计算活塞处于上止点时曲柄销所受力大小（此时即为工作工程中曲柄销的最大受力）。气体压力的取值（根据罗悦齐同学的模拟结果）：图5.2 气体压力分布图气体压力值近似取为往复惯性力的计算：活塞位于上止点时，根据受力分析图可知：=0，=0，由 计算可得：则 当=0时， 活塞位于上止点时连杆轴颈受到最大载荷作用，且只受径向力作用而没有切向力，因此K即为作用在连杆轴颈上的径向力Z ，在后面的有限元计算中，所施加的力边界条件及为61071.399N。支反力在有限元软件中，将支反力以位移约束施加给模型，将在后面支撑边界条件中具体说明。由于曲轴主要是因弯曲而破坏，所以在计算曲轴圆角应力时可以不考虑扭转应力，因而上述受力分析中的简化是合理的。5.2 施加曲轴力边界条件5.2.1 集中力的施加利用有限元计算的初期阶段，将连杆所受的最大合力以集中力的形式施加在五个点上，如图5.3所示，但所得计算结果并不准确，在受力点应力最大，圆角处应力值也偏大，但与实际情况并不完全相符，因此在后面进行分布力的施加，提高计算准确度。图5.3 集中力受力图5.2.2 分布力的施加上述施加集中力并不符合曲轴受力的实际情况，根据传统方法及有限宽度轴颈油膜压力应力分布规律，并忽略油孔处压力峰值突变的影响，假定力边界条件为：载荷沿连杆轴颈和主轴颈线方向按二次抛物线规律分布；沿轴颈圆周120角范围内按余弦规律分布，如图5.4所示：图5.4 连杆轴颈分布压力图力边界条件的计算： 沿曲轴轴线方向：设压力分布曲线方程为：z=ax2+bx+c (1)设轴向受力长度为2L，将x=L，x=-L代入(1)式得aL2+bL+c=0 (2)aL2-bL+c=0 (3)又当x=0时，z=qmax,所以c= qmax,代入式(2)、(3)得：b=0，a=-qmax/L又Qc=40L0Sqxcos32dsdx =40L060qxcos32Rddx =83R0Lqxdx式中ds=Rd；Qc为作用在轴颈上的总载荷，即61071.399N。因qx=ax2+bx+qmax=qmax(1-x2L2)代入上式得Qc=83qmaxR011-x2L2dx=169qmaxRL由此可得：qmax=9Qc/(16LR)qx=9Qc16LR1-x2L2其中Qc=61071.399N，L=19.5mm，R=60mm 沿轴颈圆周方向：qx,=qxcos(32)式中x=-LL；=-6060。所以在Patran中通过field模块施加场，由于沿曲轴轴线方向和轴颈圆周方向的力同时作用在连杆轴颈处，因此所施加的场方程为：以Pressure的方式施加在连杆轴颈上表面120的曲面上，图分别为四面体模型和六面体模型所施加的力的区域以及施加力后的分布图。图5.5和图5.6都可以清楚的看出连杆轴颈受力按余弦分布。图5.5 四面体模型分布载荷图图5.6 六面体模型分布载荷图5.3 施加曲轴支撑边界条件活塞位于上止点时，主轴颈下边缘处受到轴承的支撑作用，因此选择主轴颈下边缘120的曲面，固定其x、y、z三个方向的位移模拟轴承的支撑作用。如图5.7所示：图5.7 四面体（左）六面体（右）模型支撑边界条件六、曲轴有限元计算结果分析6.1 材料属性的定义在Patran中完成网格划分及边界条件的添加后，应对模型进行材料属性的定义，曲轴材料为合金球墨铸铁，因此材料定义值如下：弹性模量为210GPa；泊松比为0.3；密度取7.9103kg/m3。在Patran中为统一单位，将上述各值定义为：弹性模量为2.1e5 MPa；泊松比为0.3；密度取7.9e-9 t/mm3。6.2 模态分析 为了验证模型的准确性，及霍森同学计算的扭振频率，首先进行整个曲轴飞轮模型的模态分析，得到如下结果：图6.1 弯曲振型弯曲振型 f=724.27Hz图6.2 扭转振型扭转振型 f=563.99Hz6.3 应力分析完成Patran的各项设置后，进行分析，并将产生的
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