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2100
柴油机
曲轴
设计
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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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2100T2100T 型柴油机型柴油机 曲轴飞轮曲轴飞轮组组优化设计优化设计说明书说明书 姓名姓名 封博明封博明 学号学号 3008201279 3008201279 专业专业 热能与动力工程热能与动力工程 内燃机课程设计任务书 任务任务 2100T 型柴油机曲轴飞轮组优化设计 组员组员 封博明(组长)、李钊、李星韵、刘建赟、叶文基 步骤步骤 确定优化方案、目标、进度 任务分配，细化到个人 查阅相关专业书籍和文献，下载安装并学习有关软件 进行初步优化，并和其它小组沟通协调，保证装配条件以及整体优化 按老师要求的时间节点整理提交阶段性总结报告 任务任务 分配分配 封博明 1 复习曲轴的结构和设计要求， 利用 Proe 三维建模软件建立曲轴的几何模型 2 曲轴的有限元分析，利用 MSC.Patran 进行划分网格等有限元前后处理，在 MSC.Nastran 中进行求解，得出曲轴应力应变分布。主要方向是对平衡重的加载、轴颈尺寸做出优化，满足曲轴工作条件的前提下，也可对不同材料下的曲轴进行对比。 李钊 应用传统公式算法对原始尺寸及优化的曲轴进行强度校核 刘建赟 叶文基 对原柴油机启动方式进行改进，改手启动和电启动混合启动方式为纯电启动，在保证柴油机顺利启动的条件下，对飞轮轻量化。主要查阅内燃机设计资料对发动机启动临界点有关参数进行确定。 李星韵 曲轴扭振分析 计划计划 进度进度 02/28 03/02 基础知识学习，软件学习 03/04 03/05 建立曲轴及飞轮三维模型 03/06 03/08 建立有限元模型 03/09 03/14 优化方案实施 03/15 03/20 优化结果合理性检验 03/21 03/23 整理总结 说明：说明： 1 首先应以学习为目的，广泛阅读相关领域书籍、文献资料； 2 了解发动机曲轴力学分析方法，将理论分析与工程实际应用相结合； 3 熟练掌握专业软件； 4 严格按照制定的工作计划进行。 曲轴是柴油机中最重要且最昂贵的构件，受到不断周期性变化的气缸压力、往复和旋转质量的惯性力以及它们的力矩的共同作用，并对外输出扭矩，同时还伴有扭转振动，工作负荷非常大，容易发生断裂等破。曲轴既扭转又弯曲，并产生疲劳应力。对曲轴来说，弯曲载荷具有决定性作用，而扭转载荷仅占次要地位（不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏） 。曲轴破坏统计分析表明，80% 左右的疲劳破坏是由弯曲疲劳产生的。因此，曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。 随着世界经济和科学技术日新月异的进步，同时在世界范围内，环境保护的呼声越来越高， 保护生态环境法规的日益严格， 柴油机正朝着高速、 低油耗、 度、低污染和噪声以及提高工作可靠性和延长使用寿命的方向不断发展。 柴油机的发展和强化，使得曲轴的工作条件越来越苛刻，曲轴的强度设计是发动机设计中的一个关键步骤。 内燃机的动力学分析、强度分析、结构优化设计是天津大学内燃机专业的研究重点， 先后针对轴系、 机体、 轴承等发动机关键部件开展过多次动态特性研究、强度可靠性分析和结构优化设计。 2100T 型柴油机概况与主要性能参数型柴油机概况与主要性能参数 型号 2100T3 型式 立式、水冷、四行程、直接喷射式燃烧室 气缸数 2 缸 气缸直径 100mm 活塞行程 120mm 标定功率 1h 功率：27.5 马力 12h 功率：25 马力 （18.4kW ) 标定转速 2000 转/分钟 最大扭矩 11 公斤*米 最大扭矩转速 1500 转/分钟 标定功率时燃油消耗率 195 克/马力*小时( ge252kWh ) 标定功率时机油消耗率 4 克/马力*小时 压缩比 16:1 活塞总排量 1.88 升 平均有效压力 5.97 公斤/平方厘米 活塞平均速度 8 米/秒 气缸发火顺序（从飞轮端视） 1-2 曲轴旋转方向（从飞轮端视） 逆时针 启动方式 手启动或电启动 润滑方式 压力与飞溅复合式 外形尺寸（长*高*宽） 移动式：555*486*748（毫米） 固定式：684*485*806（毫米） 用途 主要用于拖拉机等农用汽车动力 2100T 型柴油机曲轴的材料采用高优质的合金球墨铸铁， 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。 柴油机的动平衡分析柴油机的动平衡分析 多缸内燃机运转时沿着每一气缸的中心线都作用有往复惯性力 Pj，每一曲拐的旋转平台内部都作用有离心惯性力 Pr。 所谓内燃机平衡问题，就是研究如何计算它们的合力及合力矩，并研究怎样才能把由它们所引起的有害作用减至最小。 动平衡指物体旋转时，物体上的所有换算质量的离心力矢量和对于轴线上的任一点的力矩的矢量和为 0，则物体是动平衡的。 2100T 型柴油机的曲柄图如下所示： （计算公式见设计书） 所以 2100T 型柴油机的曲轴是动不平衡的，必须在与曲拐相对位置加平衡重。2100T 型柴油机的平衡重是直接铸造出并与曲轴连成一体的。 柴油机柴油机曲轴曲轴受受力的分析力的分析 一、一、 曲轴应力计算的分类曲轴应力计算的分类 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。 由经验可知，曲轴疲劳破坏的位置是：曲柄销与曲柄臂或主轴颈与曲柄臂的过渡圆角处，油孔边缘。实践表明，油孔的安全系数可以通过正确的设计和油孔加工的精度保证，所以不进行油孔处的疲劳计算 二、二、 常用的应力计算的方法有三种常用的应力计算的方法有三种:传统法、有限元法传统法、有限元法。 1. 传统方法：传统方法： 传统应力计算方法可分为两种:简支梁法和连续梁。简支梁法计算简单，使用方便，连续梁法计算复杂，但与实测结果比较吻合。 简支梁法假定曲轴上的每一曲柄是一个断开的简支梁， 自由的置于通过两主轴承中点的支撑上，如下图所示。 支承视为刚性简支，连杆力视为集中力，作用于曲柄销的中点，轴段间只考虑扭矩的传递，不考虑弯矩的传递。该方法多年来被普遍使用，是一种简单易行，充分安全但过于保守的强度计算方法。 该方法除了上述的过于保守的缺点外， 还有一个较大的缺点是不能算出曲轴销与主轴连接处的弯曲应力， 不能通过计算确定该处的强度状况， 而使过渡圆角的设计无可依据的数据，而这恰恰是曲轴设计应十分注意的问题。 连续梁法把曲轴简化为多支承的静不定连续梁，如下图，应用三弯矩或五弯矩方程求解。由于假设的几何力学模型不同，连续梁法主要有以下三种 (1) 将曲轴简化为多支承圆柱形连续直梁，其直径与轴颈直径相同或相当; (2) 曲轴作为支承在弹性支承上变截面的静不定直梁; (3) 曲轴作为支承在弹性支承上的静不定曲梁。 连续梁法曲轴计算模型连续梁法曲轴计算模型 支梁法曲轴计算模型支梁法曲轴计算模型 2. 有限元方法：有限元方法： 传统方法根据名义应力和应力集中系数计算曲轴危险部位的应力。 由于曲轴形状复杂，名义应力的准确计算比较困难，而应力集中系数通常由单拐平面模型计算或由有限数量的曲轴试验数据推算得到， 再加上名义应力和应力集中系数很难结合一致地反映实际最大应力，因此传统方法有相当的不准确性。有限元理论的发展，为精确且全面地计算曲轴应力提供了条件。 完整的有限元分析流程如下图所示： 三、三、 有限元法有限元法分析过程分析过程 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法。 它把求解区域看作是由许多小的节点处互相连接的子域所构成，其模型给出基本方程的子域近似解，因为子域可以分割成各种形状和大小的不同的尺寸， 所以它能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件。 1. 三维模型的建立三维模型的建立 工作的第一步就是建立几何模型， 有限元模型的建立是以良好的几何模型为基础的，而且几何模型可以使使用者直观的面对所要做的对象，形象生动。曲轴结构比较复杂，如果实体建模时把各种小的倒角和圆角以及油孔都考虑进去，网格划分时非常复杂，且会产生许多不良的单元。根据经验，曲轴受力最大处在连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处。考虑到这些因素，在对曲轴实体建模时忽略小的倒有限元法分析流程图有限元法分析流程图 角和圆角以及油孔， 在划分网格时对连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处进行网格加密。 运用 Proe 建立三维模型，并将其导入 MSC.Patran 中。 2. 曲轴曲轴有限元模型的建立有限元模型的建立 三维有限元分析采用的计算模型一般有三种： (1) 1/4 或 1/2 曲拐模型。它主要考虑弯曲载荷作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。 (2) 单个曲拐模型。 用于分析曲轴上受载荷最严重的曲拐， 优点在于计算规模小。但很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件，剖分面距离过渡圆角很近也会影响计算精度。 为了考虑相邻曲拐、 轴承孔不同心度及支承变形等影响因素，常将单拐模型与曲轴的整体梁元模型联合起来使用，先用梁元模型计算曲轴各拐的约束力和支反力，然后将计算所得的约束力和支反力与单拐受到的气压力和惯性力一并作为单拐模型的力边界条件。 (3) 整体曲轴模型。 这是进行曲轴有限元分析最合理的模型， 计算精度高。 但是，其计算规模巨大，为了在常规条件下求解，必须采用合适的方法。 传统的曲轴应力计算多是采用单拐或是 1/2 曲拐模型， 这种模型不能很好地确定两端面的边界条件，误差比较大，不能反映出曲轴内部的应力分布状态。把曲轴简化为连续梁模型，也有一定的局限性，不能反映出轴颈与曲臂之间过渡圆角处的受力情况。本研究采用整体曲轴进行计算。 3. 有限元网格的划分有限元网格的划分 采用 10 节点四 面体等参单元进行网格划分. 共有26688 个节点， 15918 个单元。模型如下图所示。 4. 边界条件处理：边界条件处理： 载荷边界条件的处理重点是作用在轴颈表面的力处理。早期计算时，作用在主轴颈上的支承反力由简支梁法确定，并设定为集中力，如上图（a） 。现在已基本按连续梁法计算，并且设定作用在轴颈上的载荷为分布载荷，沿轴线方向均布或呈抛物线分布，沿圆周方向 120呈余弦分布，如上图（b） （c） 。 在位移边界条件处理中， 一般根据曲轴结构等方面的实际情况决定处理方法。例如，考虑到曲轴推力轴承的止推作用，在主轴颈中央端面施加轴向约束；在曲拐对称平面内不会产生垂直于曲拐平面方向上的位移， 因此在对称面上加相应的约束曲轴的支承情况很复杂，以前一般把主轴承视为刚性，对主轴颈施加刚性约束。 5. 设置材料特性及单元特性设置材料特性及单元特性 任何结构对象都是由不同材料构成的， 不同的材料具有不同的力学、 传热学、电磁和流体行为特性，这些特性就是材料属性特性。本模型柴油机曲轴的材料是合金球墨铸铁，材料的机械性能如下表所示。 材料名称 弹性模量 E (N/m3) 泊松比 质量密度 (Kg/m3) (MPa) (MPa) 1 (MPa) QT600-3 2.1e14 0.3 7.3e3 600 420 215 连杆轴颈压力分布连杆轴颈压力分布 6. 计算结果计算结果应力分析应力分析 等效应力较大值发生在主轴颈与曲柄相连的过渡圆角处， 及连杆轴颈与曲柄相连的过渡圆角处。最大值为杆轴颈与曲柄相连处过渡圆角的下部，其值为 max= 165MPa。(Nastran 计算结果及 Patran 云图见电子版) 7. 疲劳强度校核疲劳强度校核 整体曲轴的断裂，在多数情况下首先在曲柄销圆角出现疲劳裂纹，随后裂纹向曲柄臂发展而导致整根曲轴的断裂。 只在个别情况下因曲轴支承的局部损坏引起支座弯矩急剧增加而造成主轴颈圆角损坏。 这主要是由于主轴颈圆角应力以压应力为主，致使其抗交变载荷的能力增强。因此，通常仅对承载最大曲柄的曲柄销圆角进行疲劳强度计算就能满足要求。 曲柄销圆角弯曲疲劳强度安全系数可用下式计算（具体见设计书上） 。 计算得到：= 1.5，n= 7.9 工作安全系数的计算公式为=2+2 ，计算的到：= 1.4
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