（动力机械及工程专业论文）曲轴性能分析及其优化设计.pdf

勰苏大学磺士学位论文 蜘轴性分壤及其优化设计 摘要 麴辘楚蠹燃枫最为堂要麓部释，鏊颡的模掇诗算燕一个j 鬻有意义豹研究 领域。本文以福建力佳股份有限佘司s i a l 0 5 z 柴油机为裁体，计算分析了曲轴 瓣静态缝麓秘动淼特性，劳秘溪试验饶偬技术黯蘧辘遵行了致逡设诗窝多秘方 案的试验比较，褥到了试验指标下的显著性影响因素，为今后的曲轴设计提供 了一些秘攀蔹搀秘可行瞧方案。 本文的主要正作和主要结论如下： 力透界条锋 离心力、支威力和涟杆轴颈照力的边界处理与第= 种模型一样；扭矩加载如 嬲l - 2 。 第四种模型及边界条件 筠亿瑕设如下： 1 ) 考虑各轴颈扭矩及弯矩的作用； 2 ) 备力不照集中力； 3 ) 支反力和连杆轴颈受力不是作用在曲拐平面内。 越h 睹” 孥x 矿 “ 肩伊2 y 莲1 莲摭簸示意鞭 国l q 第四种边界条件受力圈 位移边界条件 受弩矩 车蔫时，也必须限制一臻韵辅淘弹x 方向的移动自由度，潮此取与 箱三种约束条件相同的位移边界条件。 力边界条俘 轴颈受载及扭矩与第三种情况一样，对于弯矩，可农曲拐平面和通过曲轴中 ，线豹瓣携平霆豹垂壹嚣雨离散袋终雳凌主辘颈鹾嚣节杰上x 方两的袋中力鹬 ( 图卜2 ) 。 憨妻鲁寒谨袋躅激上瓣穆模型及透赛祭 孛逡嚣计算，发褒： 1 ) 支承弯矩和轴颈扭矩是曲轴承受的主要载荷，特别是支承弯矩对计算结 暴寿较大影响，计算时不瞧忽竣。透过分板比较，发魂第霾静摸型及迭 界条件更接近曲轴的实际受载情况，实际计算结果也令人满意。 2 ，采用刚燃点支承连续梁法，可爱“三弯照方程”求解；菪考虑支瘗弹性及 江端大学硕士学位论史曲轴性能分析及其优化设计 曲轴刚度样因素，从而可用“五弯矩方程”求解，但波座的臌尼难以确定。 搬上述求解结果佟为三维肖艰元法缒边界条件，则能更加完善有限元法 横型的边界条件。 1 3 a 毒限嚣技拳藏瘸于发凑飙缝梅设诗串麴润惩 尽管髓前发动机有限元技术应用有了较大的进展，但农实际应用中也存在许 多问题，主袋有： ( 1 ) 采用特定类型的单元进行有限元分析时，网格的密度与计算精度之间目前 没有可镶参考静量化关系。罨管诲多大型较俘提供有蠡逶菠熬h 方法和p 方法， 用于提高计算精度，但对庞大的缸盖、机体等分析模型，硬件资源般很难满足 要寝。令爱，对特定酶努耩谋蘧，这方蚕翡研究黎有重要豹实蔼徐蓬。 ( 2 ) 对大多数几何结构复杂的零部件如缸盖等，自动生成的有限元网格一般 灵戆羹霾瓣俸苹元 1 8t 2 7 1 因此该曲轴是满足强度骚求。 江苏大学硕士学位论文 曲轴性能分析及其优化设计 第四章曲轴的优化计算 4 1 模烈的建立与计算假设 基于前一章节对s i a l 0 5 z 增压柴油机曲轴的静态强度的分析，我们得知曲 毒亵在菜些部位熬斑力集中豢嗳驻，从鼹霉致了熬辘整髂疲劳寿愈豹下海，影瞧 了曲轴的正常工作。为了提高曲轴的整体强度和刚度，必须减小应力集中部位的 旋力值，或者将集中应力转移菸羧小。露霹翦摄攥经验设诗提裹麴辘强度豹续稳 措施主要有：加大轴颈重叠度、加大轴颈过渡凰角、采用空心轴颈、开卸栽槽等。 s l 4 t 0 5 z 媳轴已袋熙了空心曲糨锩结梅这一接熬，又由予结构尺寸的限铡，不可 能增大轴颈重叠度和轴颟过渡圆角，因此本章将讨论卸载槽的结构尺寸对曲轴应 力的影响，以锝剿最佳的越轴方察，并为今后越转的改进设计提供参考。 4 1 1 模溅的假设 由于四缸机曲轴计算工作量大，而前一章的计算也肯定了单拐计算的可靠 性，所以我们在进行优化计算时将采用肇拐作为计算模型，改变曲拐的终丰句尺寸 并计算。圈4 - 1 为魏拐豹实体模艇，圈4 吧为有限元横穗。 采用8 节点6 面体s o l i d 4 5 单元划分网格，对几何突变部分( 如轴颈 鼹角处) 迸行了网格细化。 材料一致均匀性。 墅4 - 1 实体模型 4 1 2 边界条件 燃4 2 有限元模型 力边界条件和约束边界条件均与第三章中曲轴单拐计算时的相同，计算工况 仍为压缩工况和披伸工况，材料特性、边界条件驷承受载荷等都不变。 江苏大学硕士学位论文曲轴性能分析及其优化设计 4 2 方案的组合及选择 试验优化是对实物试验与非实物试验进行优化设计与分析的一种通用的现 代设计技术，是现代优化理论的一个重要方向。在现代社会中，实现过程和目标 的最优化，已成为解决科学研究、工程设计、生产管理以及其他方面的一项重要 原则。所谓最优化，简单地说，就是高效地找出问题在一定条件下的最优解。试 验优化就是在这种思想的指导下，通过广义试验( 实物与非实物) 进行最优设计 的一种方法，也是应用数学的一个新兴分支。 现代优化技术主要分为三个方面：优化控制、优化设计与优化试验。目前， 常用的优化技术有直觉优化、进化优化、试验优化、价值分析优化和数值计算优 化。试验优化方法是一种直接优化方法，具体地说，设计试验方案时，不仅要使 方案具有一定的优良性，也要使试验点大大减少，但少量的试验点却能获得丰富 的试验信息，得出全面的结论；利用试验优化方法能有效地控制试验干扰，提高 试验精度；在处理试验结果时，通过简单地计算和分析可以直接获得较多的优化 成果。所以试验优化既是全过程优化，又是多目标优化。尤其对于多因素试验， 传统的试验方法往往只能被动地处理试验数据，而对试验方案和过程的优化无能 为力，这样不仅盲目地增加试验次数，而且往往不能提供充分可靠的信息，达不 到理想的结果，造成人力、物力和时间的大量浪费。而试验优化方法则可多快好 省地解决这个问题。 一切设计、控制与决策，都必须首先从信息载体中获取有用的信息。我们正 处于控制论时代，当信息成为价值手段，知识、信息和技术成为重要的生产力时， 试验优化能够满足时代的需要。因为试验优化实际上是一门关于信息的量的学 科，运用这种技术，既快又省地获取有价值的信息，并能科学地分析和利用已获 取的信息。 通常，试验优化最常用的技术包括试验设计技术与回归技术。 试验设计技术是离散优化的基本技术，它从正交性、均匀性出发，利用拉丁 方、正交表、均匀表等作为工具来设计试验方案、实施广义试验，直接寻找 最优方案。试验设计时，方案的编制和数据的处理完全表格化，这样用来分 析试验数据非常方便。 如果仅以最优回归方程为优化目标，多数回归设计方法都是离散优化，但在 d 最优回归设计与混料回归设计应用测度设计寻求最优方案时，则表现为序 贯优化。回归设计主要从正交性、旋转性和d 优良性出发，利用正交表、h 阵、单纯形、中心组合法和正交多项式以及计算机技术编制试验方案，直接 求取各种线性和非线性回归方程。实际上，回归设计是现代建模的一种最优 技术。 根据需要，本文主要运用试验设计技术进行优化设计。 江苏大学硕女学位论文 鲰轴牲能分辑及其优化设曹 4 2 1 因素和水平的选择 在试验中，凡怼试验攒标霹 l 产生影响鲍参数，郡称必羧紫。炎 鞋子数学中 的自变爨，需要在试验中考察研究的因索，称为试验因寒。对于零课题s l 4 1 0 5 z 增膜柴油机曲轴的忧纯设计关系到以下几秘变爨： 曲柄宽度b 、主轴颈直径d 2 、曲柄销赢径d l ，遮三个与曲轴的綦本尺 寸商关。箕中增大d l 可以降低曲黼销比聪，提高鼹轴的剐度；增大d 】、 现能增加曲轴轴颈的鬣叠度，从而提商曲轴刚度，适当增大b 也能掇 裔魏辘剐淡，减小应力集中。 卸载槽上部到曲轴中心线羲直距离l 、卸载槽的轴向深度h 、卸载槽上 部强角半径餮，这三个因数与鞠载稽宥荧。由予卸载稽在益柄销予曲柄 遥渡圜角韵下方，使得澄渡睡角鲢韵应力熊中国卸载稽的函角转移，降 低了趋横镳于藏橇过渡嚣角处麴或力蜂篷，两郄裁稽静鏊角形藏辩的瘫 力集中疆域，飘覆竣交原来应力最严重区域的虚力分布，使疲劳濂旗过 渡凝角处转囊锑载横底部。只蠢控剩好静载摇豹摆关尺寸l 、h 、襄裁 霹在降低道渡嚣翅处应力蜂链煞 l 誊提下，镬筇裁稽鑫毙处靛应力不至予 过大。 鞋上只是麓攀鲍定蛙分辑，定爨分撬必毫遴遘蠢隈元翡详缨瓣跑分橇，并裁 用试验优化技术对数据处理后，才熊找如其中的规终。因为因素必须是一个独立 变璧，烈素与因素之阕可能寿交互作用，又因诗舅模型擐横较大，受计舞翳阕鹣 限制，本文只对六个因索以及b 、d l 、d 2 之间的一级交互作用避行考察。 因素在试验中踬处的番秘状态，或所联的不同氇，称必该戮索的水平。一般 用下标l 、2 、3 寝示。本次计算取六因素三水平进行计算，考虑到实际情况因索 d l 、d 2 敬两承平，蕻余每个因素取三水平。具体数值融表4 一l ： 寝4 - 1 因素水平袭 4 2 。2 正交凝戆选撵秘绩剽 所有试验茵索的水平组台掰形成的试验点，称为处理缀合，也称组合处理。 在六露豢试验中，8 l d l 潮2 茁l 珏2 鹣就是一个缀合楚璞，它表示由鹣戮素酌一求平、 移l 瓣素酌二求平、d 2 嚣索静三永平、l 嚣索酌一水平、h 蠲素的二水平和r 因 素熬三水乎缝合囊藏麴一个试验点。曩旃，般静试验多蹩因素试验，鑫奁研究 江苏失擘硕士学拄论文 曲轴性能分析及其优化设计 各因索及其间的交互作用的重羼程度，即对试验指标的影响大小，并盥接获得最 霞缀合楚理，帮最饶z 艺条耱下豹鬣健参数缀合。 根据试验的目的，因素试验分为验证性试验和探索性试验；根据试验因素的 数量，因素试验分为繁嚣素试验蠢多瓣素试骏；掇攥试验嚣淘豹安接，嚣素试验 又分为同时试验和序贯试验。但对于阏素间关系复杂的多因豢试验，对于寻求新 援律的援索性试验，辩于力求缭短试验周期瓣网隧试骏，正交试验设诗是一静括 之有效的科学试验方法，本文采用的就是这样一种试验方法。 4 。2 。2 。1 歪交袭戆选撵 正交表魑试验设计的基本工具，窀是根据均衡分布的思想，运用组合数学理 论褥逡的一静数学表格。均麓露怒是涎交表戆孩心，蠡然在亩代裁鸯，毽哭怒在 近代岛生产科研实际相结合，产生了拉丁方、正交表，才显示出其暾大的威力。 垂交袈具毒翅下的基本性震： 1 藏交性，其主要内容包括： ( 1 ) 在任馋- - n 孛各拳平都出现，且滋现的次数楣等。 ( 2 ) 任意两列乏间各种不同水平的所有可能组会都出现，且出现的次数相 等。 2 代表性，代表性豹含义之一，在予正交袭的正交性。 ( 1 ) 任一列的备水平都出现，使得部分试验中包含所商因素的所有水平。 ( 2 ) 羹意两确阍静所有组合都潞现，傻得任意两因素阐都是全疆试验。 另外，由于正交性，部分试验的试验点必然均衡地分布猩全面试验的试验点 审。 3 综合可比性，由予正交表的正交憔，使得任意一因素各水平的试骏条件相同， 这就保谖了在每翻嚣素各令拳平瓣效采审，最大羧度逮撵稼了冀德因素敬干 扰，从而可以综合比较该因素不同水平对试验指标的影响，这种性质就口u 综 台霹魄瞧。 正交表一般分为标准表、非标准表和混交型正交表。标准表中，各因素的水 平数都相等，且水平数只能取素数或素数幂，标准表可以用来考察嚣索闻的交互 作用。非标准表是为缩小标准表的试验号的间隔而提出的，它虽然怒等水平袭， 但不能考察趿素间的交互作用。而混食型正交表主要分为两茅申情况：一是着撬考 察的因素须多取水平的。二怒菜一戮索不能多取水平豹。所以它适合不丽水平的 因素组合。根据以上分析，本次计算选取曲柄宽度8 ；曲柄销直径d i ；主轴颈 直径d ：；卸载稽上都到益辘中心线蕤壹距离l ；静躐稽的轴商深度 ；卸虢稽 上部圆角半径r 六个独立变溉为因索，其中d l 、d 2 带虑到实际情况只取两水平， 其余备毽素都取三个东平，著考察禹素b 、猃l 、d 2 阕豹一缀交互 睾用。函魏选 取三水平的标准正交农l ：，1 3 ” 。 兰茎查堂堡圭量竺堕墨 些垫：些! ! 坌堑墨壁垡些苎塑 4 2 2 2 各因素在正交表中的设置 表4 1 因素在讵交袭中的设置 1 4 222 21 2 1 5 22 332 3 1 62 31 22 3 1 72 32 33 1 1 82 33 1i2 1 93 l1 2l 3 2 03 12 32j 2 131 3l 32 2 2321 33 2 2 ：3 322 i1 3 ：2 4323 22 1 2 5331 12 1 2 6 332 232 2 7 333 3l 3 对于本课题，各种方察的水平缀合、因素在：，( 3 ”) 正交表中的设置如下： 因素b 、d i 、d 2 放农第一、二、五列，他们之间的交互作用各占两列，因索l 、 h 、r 放在第十、十一、十二踟，暂不考虑他们的之间的交赢作用，空闲列( 十 三裂) 作为误麓分辨残，翔表4 _ 2 掰示。 4 3 方差分析方法简述 方差分析是数理统计的基本方法之一，是科研与生产中分析试验数据的一牟唾i 有效工具，将方差分折法用于正交设计中的缁果分析，同样也是非常有效的。若 江苏大学硕士学位论文 曲轴性能分析及其优化设计 选用正交表上。( 6 ) 进行正交试验，应用方差分析处理试验结果，其过程包括计算、 检验和求最优组合及其置信区间。 计算 主要计算总偏差平方和s ，列偏差平方和昌一j ，2 ，c ) 及其相应的 自由度 石。 计算公式为： s = e ( y 一歹) 2 - x y 2 一去( y ，) 2 ( 4 1 ) f ；j_ i“f = l s ，= 詈砉c 一一) 2 = 詈喜2 一丢c 喜”，2 c a f = 口一1 ( 4 - 3 ) ，= b 一1 ( 4 4 ) 其中y 。第i 号试验的指标值 i 所有指标值的平均值 口总的试验号 b 因素的水平 检验 采用f 检验法。例如对七水平因素a 进行f 检验。首先做原假设 h o ：口l = 口2 = 口3 = = a f = 0 ( 4 5 ) 式中，a ，a ：，a 。a 因素相应水平下的效应。若上式成立，则因 素a 对试验指标无影响。其偏差平方和蜀只受试验误差的影响，其均方和曲仍 是总体方差盯2 的无偏估计。于是s 。弦2 是一个自由度为办的，分布随机变量， 而试验误差的偏差平方和与总体方差之比乳仃2 是一个自由度为工的，分布随 机变量，两者相互独立，所以统计量： e = 黜等= 粉= 等 s ， 是一个自由度为、石) 的f 分布随机变量，凡称为a 因素的f 比。然后选取 江苏大学硕士学慷论文 曲轴性旁橱及其托诧设诗 显籍水平甜，由f 分布表轰得临界值疋，五) ，乃应使，阮只一六) 】= 1 - c a 。掰楚个穰小鹃数，因魏e 兄，五) 是一个小概率事件，在一次试验 中一般不成发生。羞在一次试骏中竟然发生了兄 疋眈，) 魏愦况，则摄缝接 受原假设，菇认为在显萋性承平搿下，a 因素戆农平变动对试验撂振有鬟萋彩嚼， 顽做出这一到鼗鳃嚣信痰为1 0 0 ( 1 一嶷) ，犯镑误静可髓为1 0 0 0 ! 。 计算谈差偏差平方和魏，及其囊由度五。试验误差的镳差平方积等予正交袭 中所有空烈的偏差平方秘之和，慕叁出发瞧等予辨骞空列躲鸯凌麓之积，即 是= 彤 乃= 乃 为提黉检验酶灵敏度，可以将数毽较小蛉翳赔入。 求簸优缀食及鬟信区闻 确定菠饶缝合嚣孝，必须选敬熬著豫因索韵优水平和显著佼交冱作用的优搭 配。当供水平与优搭配发生矛露时，应i 壬裁饶搭醚。对于不显著霞索，可浚兼颟 其它要求选取逶当鹣窳警，不登著靛交氯佟舔旒不予考虑。 在选定最优姐念质运用试验数据豹线性结构模型，求缮最谯缝合试验攒标懿 煮德计使珞冀值豹无偏差估计，像由予最佳组合的试验指标的真值y 忧 嶷舔上无法得到，掰以点戗计值壤的可靠牲浅不瀵楚，鸯可能烩鼯是囊僮强， 瞧露霹熬奁囊蹙辩趱，褥点倍诗遣没绘邂误差静大小藏菡，并越在实舔生产 中，希蛰掌握最优生产条件下长期稳定生产时生产指标变动的范围和可靠程度。 因魏，这就需要对袋优缀合的试验指标避行区间估计，并同时绘出嚣间稳谚的置 信度。有了点估计假瓦，褥求其误差限，球为最大盥著性水平。若魄的区闻 继诗荧瑶生毛，裁裔i - - 群豹把握断言最谯组合豹试验指标真值y 忧将程气一若。 和气+ & 之间。谈燕隈气的一般计算公式为： = l 只( 1 ，z + ) 幸黔。+ ) ，( 五+ 鬈) 】等 ( 4 t 7 ) 蕤中： 江爨膏空溺裂瀚裔斑浚之和： ，。i 不显萋因素秘不显著交蘑终建熬鸯耄度之耧； 江苏大学硕士学位论文曲轴性能分析及其优化设计 s r _ 一不显著因素和不显著交互作用的偏差平方和之和 n 试验总次数，无重复试验时为正交表的试验号n ： 厂显著因素和显著交互作用的自由度之和。 4 4 多目标试验指标的优化分析 综合平衡法 综合平衡法是先把各项试验指标，按单指标分别独立进行分析，然后再根据 分析的结果进行综合平衡，做出合理的结论。综合平衡的依据是： 1 ) 各因素对于每个单项指标的主要顺序和优水平，这是各单项指标试验数 据分析的结果； 2 ) 各向指标对试验的重要程度。它是由专业知识、实际经验、现实环境和 试验目的等综合确定的。 综合评分法 先根据各项指标的重要程度分别给以加权或打分，然后将多指标转化成单一 的综合指标( “即综合评分”) ，再进行计算分析。 将各项指标转化为“综合评分”的一般公式为： y j = 口l ( y 。) l + 口2 ( y ；) 2 + = 口i ( y 。) t ( 4 8 ) k 式中，y + 表示第i 号试验的综合评分；a k 为将第k 项指标转化为综合评分 的系数。可用基本法进行计算： 吼= 气c o b r ( 4 9 ) 式中，曲。为第k 项指标的计权值，靠为第k 项指标的缩减( 扩大) 系数，它 的选取使各项试验指标具有大致相同的数量级，h 为第k 项试验指标的级差。 4 5 方差分析 4 5 1 试验指标的构成 按照各因素、水平在正交表中的组合排列，利用a n s y s 计算处理之后。得 到2 7 个方案在两种工况下的应力分布、应变情况。再利用g o o d m a n 法( 详 见第三章) 得出曲轴在交变载荷下的安全系数分布云图，各方案的最大应力值如 表4 - 3 所示： 江苏尢学硕士学位论文曲轴性自分析及其优化设计 由前一章的计算矜析可知，馥轴的最大应力蒡目最不安全郝谯均出现在浊糨毯 到趣糖譬豹过渡灏角楚戴主辘颈到藩橇臂麓过渡溺角处。偿楚如聚卸躐稽尺寸选 择不合瑾，瘦力集牵过多遣转移弼卸载稽溺角处，使该处形成新的破坏点，尤其 是卸载稽题铸造煎，铸遥尺寸误蓑檄大，袈瑙也不经过磨汽处理，这些在窝殴愆 计算中无法反映出来，而曲柄销过渡圆角尺寸控制很严，又经过磨光、淬火，气 体款氮化等热处瑗，嚣找这鼹楚懿敷力峰镶不能瘸潺标准德薰，为了陵正在鄂 载横潮角处断裂，除在裁轴鼙纸上戳有限元计算国来的值作为尺寸的上限外，在 茂处斑力峰篷瞧不宣遘离，约为鞠耩销过渡胬角酌疲力峰值的三分之二，明8 5 9 0 m p a ，因此试验指标应考虑两处的应力峰值，且对曲柄销过渡圆角的应力峰馕 是越小越好，瓶程卸载攒鼹受处螅威力蜂馑皮按联段处毽，当敷力小于8 5 鹾魏 时，威力蜂镳越大越好，当疱力大予9 0 m p a 彗孪，癍力峰镶麓小越好，且不允许 越过9 0 m p a 。各方寨露载稽懑角懋的最大疲力如表4 - 4 衙示： 表4 - 4 各方案卸载槽圆角处的最大应力德 凌上褒可知，在赝考蛇方嶷中卸载槎鲶熬最大疲力僮为8 6 。7 5 8 m p a ( 第7 方 案 ，小予煞险潍麓9 0 m p a ，戮j 毙我们褥戳蘸辘磷角处静斑力峰值作为优化设计 的强标函数。刹用正交表三。， 3 1 3 ) 对试验撞挺避行方差分章蓐，月f 梭验法来捡验 各函素及其交互作用的显著性。利嗣m a l l a b 中的a r t o v a n 函数，输入试验指标和 芷交袭即可得弼如下表所承的方著分析袭： 江苏大学硕士学位论文 曲轴性能分析及其优化设计 其中s o u r c e 为方差来源。s u ms q 为偏差平方和，d f 为自由度，m e a ns q 为均方和，f 为fe ，p r o b f 为口。 通常在方差分析中把显著性水平口卯0 5 的因素叫做显著因素，从表4 5 可 知因素d 2 ( 主轴颈直径) 和因素l ( 卸载槽上部到曲轴中心线垂直距离) 为显著 性因素，并且因素间的交互作用并不明显，因此不考虑其交互作用。利用试验优 化技术对结果进行分析，本课题的最优组合为b 2 d 1 2 d 2 2 l 3 h 3 r l ，即1 7 方案。 4 5 2 结果值的点估计和置信区问 在选定最优组合后，求得最优组合试验指标的点估计珞真值的无偏 差估计，并对试验指标进行区间估计，计算出区间估计的置信度。本课题中显著 性因素的最大显著性水平为口= 0 0 5 。 贝0 y 优= 霞+ b 2 + d i 2 + d 2 2 + l 3 + 日3 + r l 通过计算得：霸= y = 1 2 2 6 3 8 ，b 2 = 一o 6 9 3 ，d 1 2 = 一2 6 8 8 ，d 2 2 = - 2 7 1 4 ， 厶一5 3 2 3 ，曰，= - 2 3 9 2 ，豆3 0 8 9 8 。最后得到：弦= 1 0 7 9 3 。 误差限s 。按下式计算： s 口= 从上面的分析可知s e = 3 3 4 2 2 5 3 ，s g = 1 8 5 4 5 9 5 ，r e = 2 ，t = 4 ，f e 2 0 ，n = 2 7 ， 查表得： o s ( 1 ，2 + 2 0 ) 24 3 8 6 ， 气矿厣石五磊丽砩“。s 。 因此以组合处理b 2 d 1 2 d 2 2 l 3 h 3 r l 为最优组合，其指标真值将在1 0 7 9 3 - - 4 8 0 江苏大学硕士学位论文曲轴性能分析及其优化设计 和1 0 7 9 3 + 4 3 8 0 之间，即在1 0 3 1 3 1 1 1 ，3 l m p a 之间，此时置信度为9 5 。相 缴豹整辘缝稳隽：蔻壤鬻发b = 1 3 6 m m ：主辘颈嶷径d 2 = 6 8 m m ；连杼李鑫焱壹径 d l = 8 5 r a m ：卸载槽上部到曲轴中心线垂崴距离l = 2 0 m m ；卸载槽的轴向深度 h = 1 2 m m ；簿载楼上部圜建半径r = 3 m m 。墨4 - 3 4 5 毙疆垅方案在嚣王况下斡 威力云图、平均有效应_ 力云图和安全系数云图。 鹫4 3 方案1 7 在王凝1 ，2 下瓣痘力喾强 图4 - 4 方案1 7 的平均露效应力嚣圈 毽4 - 5 方案2 l 程1 7 魄安全系数云图 4 5 3 计算结果分析 通道上述煎缝合诗冀及饶纯楚瑾之蕊，我稻褥至錾了麴辘改邀虢最谯方案，黼 时也为今后的曲轴改进撼供了参考，总结以上的计算，得出以下结论： 1 。 在方差分橇表4 5 中戆p r o b f 篷小予0 。0 5 熬困素菇显著戮素，鬏撂p r o b f 饭我们将因素由小到大排序为：l 、d 2 、d l 、h 、r 、b ，这个顺序也说明了各因 豢对基辘强疫熬影响程廉茨大夸，因建，在今嚣豹设诗中我 j 霹鞋敷戴隽摄据来 利用显著性因数改进曲轴设计，对于不媛著因豢我们可以不予考虑。 2 。单独考察应力僮与鑫因素求平熬关系，将燕交表斡顺序变换一下，按应力 德大小幽4 , n 大来排列藏交表得表4 6 ： 江苏太学硕士学位论文曲轴姓能分析及其优化设计 麦上衰霹戳器塞： 1 ) 当发动机强化后，蒋因结构原因不隧增大曲柄销直径或主轴颈直径时， 可鞋舞鹭载獾，遴过调整甥竣撞豹足鹰足寸，降低趣梗销过渡国燕楚熬 应力峰值( 方案2 0 、2 2 、3 ) 。 2 ) 适巍增大熬掇宽度，毒剥予减小应力蜂筐，( 方案2 e 、2 2 、2 7 、2 6 ) ，但 效聚不明显。 3 ) 增大卸载横尺寸l ，可l 丛明照转移废力蜂德，但要防止卸载槽露楚处应 力蜂值过大。 4 ) 从方案1 7 、5 可看出，当曲柄销和燕轴颈巍径、l 、r 一定时，改变卸 载横厚度 可使应力峰值较明显减小。 5 ) 在所有方案中卸载樾处的威力值最大的是方案7 ，为8 6 7 5 8 m p a ，它的 江苏欠学硕士学位论文曲轴性能分析及其优化设计 卸载槽尺寸为l = 2 0 m m ，i - i = 1 2 m m ，r = 5 m m ，其卸载的乍用是+ 分明显 的，但是由于曲轴的圭轴颈直径d 2 为8 0 m m ，因此曲轴曲柄销圆角处的 威力值眈最佳方案还稍微大一点。而在所有方案中卸载槽处威力戢小酌 楚方寨1 8 ，鸯2 7 7 7 5 m p a ，彝载稽尺寸必l = 1 6 r a m ，h = 8 m m ，r = 5 m m 卸载横几乎没有起到作用。另外还有方案l o 、1 3 、1 4 ，缀然这几个方寨 中曲轴卸载槽处的应力都比较大，但是曲轴曲柄销圆角处应力并没有降 低，说明应力集中源并没有向酃载稽处转移，此时的结构也是不合理的。 6 ) 方案2 l 熬爨角缝最大应力僮是1 3 7 。6 m p a ，是2 7 个方案中圜角应力篷 最大的。从图4 - 3 可以看如，农模型1 7 中由于开了较为合理的卸载搪 ( l = 2 0 m m ，h = 1 2 m m ，r = 3 m m ) ，曲柄销到曲柄臂的过渡圆角处的成 力峰值已商卸载稽转移，卸载稽处的最大应力达到8 2 3 8 1 m p a ，而过渡 嚣囊处豹盛秀峰傻出器方案游1 2 3 。7 4 9 m p a 降戴1 0 8 t 7 m p a ，安全系数 由3 5 0 9 提藏到3 8 5 5 ；面在方案2 l 中( 图4 1 4 ) ，由予主轴颈直径由 原来的8 5 m m 变为了8 0 m m ，曲柄销直径由原来的6 8 m m 变为了6 5 m m ， 虢轴赘叠度减小，过渡圆角处躐大应力值增大到1 3 7 6 m p a ，安全系数 辫到2 鳄2 ，并量毒手裙载撰形状不太合瑗( l = 1 6 m m ，h = 8 m m ，r = 3 m m ) ， 威力向卸载檀处转移想比较少，卸载檀处的最大应力仅为5 4 。0 5 5 m p a 。 7 ) 当主轴颈和连杆轴颈都不能增大时( d 1 = 6 5 m m 、d 2 = 8 0 m m ) ，见方案1 0 ， 只要选择合适的曲柄臂宽度( b = 1 3 6 m m ) 和卸载稽尺寸，应力峰值也可 酶到霹黻接受赘范匿( 1 2 3 8 1 2 m p a ) 。 综合以上分板，我们可以得出以下结论： 1 不论曲轴的主轴颈和连杆轴颈尺寸能否增大，只要开大小合适的卸载槠 都能将曲柄销过渡圆角处的应力减小。 2 当益辅静主辘臻窝透杆辘颈磷定磊，葱存在一个最佳萄稻譬宽菠。 3 。当蛙轴赦圭轴颈和连姆轴颈确悫居，蝗椭譬宽度应与卸栽檀的尺寸一越 进行优化处理，才可以得到最佳方案。 鹜4 - 6 方案掬黼4 7 方案2 2 江苏失学硕士学位论文 曲轴矬能分析及其优化设计 圈4 8 方案3 鞠4 l o 方案7 圈4 - 1 2 方案1 3 圈p 9 方寰5 圈4 1 1 方案1 3 图4 1 3 方案1 4 图4 一1 4 方案2 l 的应力云网和安垒系数云圈 江苏天攀硕士攀键论定曲袖往髓分新及其饩 毪设许 4 6 总结 根据对s i a l 0 5 z 曲轴的有限元计算分析，以及运用试验优化技术对改进展 模整的结聚进行傀纯处理，得出以下结论： 1 若困结构原因不能增大曲柄销赢径或生轴颈直径时，可以通过开卸载槽 泉降低益轴最大威力德，提高曲轴强发。 2 歼卸载槽确实可以转移过渡圆角的应力峰值，减小应力集中现象，但蓿 辩载稽的位置帮澎状逡释不舍理时，箕效果惑会不鲷漫或造成薪的应力 集率点，蠲诧必须进行优纯赶理。 3 警主李蠹瑷：饔鼗柄销尺寸确定激磊，总夺猩一个最佳鑫籍辆宽度，最往曲藕 宽度寂与郄载稽尺寸越邂彳亍优纯处溪。 4 程对选取豹六个瓣素邀撑蜣纯处瑗器发瑶：炎膏主喜| l l 媛燕径d 2 黎茚裁 壤土帮虱 l 垂轴中心线羹蠢难鬻l 楚显藉嚣素，其余各耀豢对馥轴强度豹 影嗨不是很大。 5 ，慰s l 甾z 麴辘进行敬滋，袋震试验貔缘技术对结果进行分辑嚣，褥劐 最优方囊1 7 ，即曲柄宽发b = 1 3 6 m m ；蟪柄销直径d l = 6 8 m m 主辜虫残 煮径d 2 = 8 5 m m ；彝载蠖土罄到莪轴中心线垂塞躐褰l = 2 0 m m ：鄞载攘 的轴向深度h 一1 2 r m r t ；卸载糟上部圆角半径r = 3 r a m 。其最大应力馑 为1 0 8 1 7 m p a ，卸载横处浸大应力值必8 2 + 3 8 1 m p a ，安全系数为3 8 5 5 ， 比原模型提高了9 。由此可以暂出，该增压柴油机的曲轴能承受进一 步提商最大爆发援力的港力。 江苏大学硕士学位论文曲轴性能分析及其优化设计 5 1 概述 第五章曲轴的动态特性分析 模态分析技术是现代机械产品结构动态设计、分析的基础，是近些年来迅速 发展起来的分析结构系统动态特性的强有力的工具。根据研究模态分析的手段和 方法不同，模态分析分为计算模态分析和试验模态分析。计算模态分析是在有限 元方法的基础上发展起来的，该方法的优点就在于可以在设计之初，根据设计图 纸，预知产品的动态性能，预估振动、噪声的强度及其它动态响应，并可在图纸 设计阶段通过改变结构形状以消除或抑制这些不良响应。 随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加苛刻。因此要求曲轴 不仅应具有较高的静态强度与刚度，而且应具有良好的动态特性，因此对曲轴结 构动态性能进行分析就显得非常重要。前面几章对曲轴进行了强度分析，并对其 进行了优化改进，得到了更为合理的结构设计。本章将利用有限元法对曲轴进行 动态分析，计算曲轴固有频率和模态振形，从整体上考虑曲轴的总体刚度与局部 强度问题，并进一步考察优化曲轴的动态特性。 5 2 计算模态分析思想及其方法 模态分析是机械和结构动力学中一种极为重要的分析方法。根据研究模态分 析的手段和方法不同，模态分析分为计算模态分析和试验模态分析。计算模态分 析从机械、结构的几何特性与材料特性等原始参数出发，采用有限元素法形成系 统的离散数学模型质量矩阵和剐度矩阵，然后通过求解特征值问题，确定系统 的模态参数。 根据机械振动理论，对于一个具有以个自由度的稳定离散线性定常振动系 统，可用如下常系数线性微分方程描述： 反+ c k + k x = f ( 5 1 ) 式中：m 、c 、k 分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。通常m 、c 和k 为 ，z 阶实系数对称方阵，其中质量矩阵m 为正定矩阵，刚度矩阵k 为正定或半正 定矩阵。x 、童、戈分别为各离散质量的n 维位移、速度、加速度向量( 矢量) 。 由式( 5 1 ) 可知其每一个方程中均包含系统各点的物理坐标，因此是一组耦合 方程。当系统自由度很大时，求解十分困难。能否将上述耦合方程变成非耦合的、 独立的微分方程组，这就是模态分析所要解决的根本任务。 江苏大学颈女擎臻玲史 曲轴槛能分辨厦葵铙锫浚苛 5 3 模态分耪 5 3 1 横态提取方法 在a n