（机械工程专业论文）曲轴圆角滚压钳体机构分析与优化.pdf

独创性声昵煳 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：y ! 三：丫 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：嗜r 蝣、导师( 签名) 宅三砂师珈t z 幻 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国汽车工业的迅速发展，其核心零部件之一的发动机曲轴的加工备 受关注。曲轴具有结构和受力状态复杂、加工困难、承受交变载荷较大等特点， 其结构参数以及加工工艺水平影响整个发动机的动力、可靠性和寿命。在工作 状态时，曲轴的工况环境恶劣，曲轴的应力分布是不均匀的，且是交变应力， 在曲柄和轴颈处采用圆角过渡方式，该部位会产生比较严重的应力集中，故在 保证发动机正常可靠运行的同时，需要保证曲轴有足够的强度、刚度和耐磨性。 一般情况下，曲轴破坏的基本形式是弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，曲轴 疲劳裂纹几乎都来自于曲柄至轴颈的过渡圆角处，强化过渡圆角可以延长曲轴 的使用寿命。目前，发动机曲轴圆角滚压工艺、装备和关键技术等是国内外对 曲轴加工研究的重点。 本文以曲轴圆角滚压钳体机构为研究对象，首先针对钳体机构的主要设计 要求和构型设计的原则，分析了q h 2 _ 加4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统钳 体机构的不足，提出了改进方案，即该机构由钳体举升摇块机构、加压运动机 构、夹钳摆缸机构和曲柄摇杆机构综合构成。然后对曲轴圆角滚压钳体机构进 行总体设计和关键部件设计，以p r o e n g i n e e r 为工具，建立了整个机构的三 维模型，初步确定了相关技术参数，为进一步的分析提供了设计平台。 根据滚压钳体机构的工作过程，运用杆组分析法将该复杂机构拆分成简单 的单杆构件、r r r 双杆组和r p r 双杆组机构，对其进行运动学分析。利用 p r o e n g i n e e r 软件对设计构件进行装配，对设计和装配完成的构件进行运动 干涉分析，为运动学仿真做准备，运动仿真结果验证了运动学分析的正确性和 可靠性。 以a n s y sw o r k b e n c h 为分析工具，运用有限元的思想对滚压钳体机构的 主要构件左右钳体进行静力学分析，分析得到结构的应力场、应变场和位移场， 分析结果表明钳体机构安全系数很大，仍然还可以进一步优化。 利用a n s y sw o r k b e n c h 的优化模块对简化后的钳体模型进行优化设计， 优化的输入参数是左右钳体的高度，输出参数是钳体质量和整体变形。通过分 析得到优化前钳体质量较大，导致滚压时惯性力很大，且钳体变形很大，进行 优化设计以提高滚压质量和效果，得到优化后的钳体模型尺寸和参数。优化结 果表明，钳体质量在允许范围内有较大减小，且机构整体变形较优化前减小了 武汉理工大学硕士学位论文 很多，有利于提高了滚压加工质量。 关键词：曲轴圆角滚压，钳体机构，杆组分析，运动学仿真，优化设计 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r y , 珏ec o r e c o m p o n e n to fa u t o m o b i l ee n g i n ec r a n k s h a f tp r o c e s s i n gt ob ec o n c e r n e d c r a n k s h a f t h a st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss t r u c t u r ea n ds t r e s ss t a t ea r ec o m p l e x ，p r o c e s s i n g d i f f i c u l t i e s ，te a ra l t e r n a t el o a dl a r g e l y , t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yl e v e la f f e c tt h ew h o l ee n g i n ep o w e r , r e l i a b i l i t ya n dl i f e i nt h ew o r k i n g s t a t u s 。t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o ne n v i r o n m e n to ft h ec r a n k s h a f ti sb a d c r a n k s h a f t s t r e s sd i s t r i b u t i o ni sn o tu n i f o r m ，a n di sa l t e r n a t i n gs t r e s s ，t h et r a n s i t i o nw a yi s r o u n db e t w e e nt h ec r a n ka n dj o u r n a l ，t h e r e g i o nw i l lp r o d u c es e r i o u s s t r e s s c o n c e n t r a t i o n , s ow h i l eg u a r a n t e e i n gn o r m a la n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ee n g i n e ，a t t h es a m et i m e ，n e e dt om a k es u r et h a tt h ec r a n k s h a 盒h a se n o u g hs t r e n g t h , s t i f f n e s s a n dw e a rr e s i s t a n c e g e n e r a l l y , t h eb a s i cf o r mo ft h ec r a n k s h a f td a m a g ei sb e n d i n gf a t i g u ef a i l u r e a n dt w i s tf a t i g u ed a m a g e ，c r a n k s h a f tf a t i g u ec r a c ka l m o s ta l lc o m ef r o mt h ec r a n k t oj o u r n a lt r a n s i t i o nf i l l e tp l a c e ，s t r e n g t h e nt h et r a n s i t i o nf i l l e tc a np r o l o n gt h e s e r v i c el i f eo ft h ec l r f l k s h a f i a tp r e s e n t , t h ee n g i n ec r a n k s h a t tf i l l e tr o l l i n g p r o c e s s i n g ，e q u i p m e n ta n dk e yt e c h n o l o g ya l er e s e a r c he m p h a s i so fc r a n k s h a f t p r o c e s s i n g a th o m ea n da b r o a d t 址sp a p e ri sb a s e do nr o l l i n gc l a m pb o d yi n s t i t u t i o nf o rt h er o u n dc o m e ro f c r a n k s h a j c ta st h er e s e a r c ho b j e c t , a c c o r d i n gt ot h em a i nd e s i g nr e q u i r e m e n t so f c l a m pb o d yi n s t i t u t i o na n dp r i n c i p l e so fc o n f i g u r a t i o nd e s i g n , a n a l y z et h es h o r t a g e o fq h 2 甜0c r a n k s h 碰f i l l e tr o l l i n gc n c i n t e l l i g e n c ep r o c e s s i n gs y s t e mc l a m p b o d yi n s t i t u t i o n , p u tf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tp l a n , t h em e c h a n i s mc o n s i s t so f c l a m pb o d yl i f t i n gs h a k eb l o c km e c h a n i s m 、p r e s s u r em o t i o nm e c h a n i s m 、c l a m p p e n d u l u mc y l i n d e rm e c h a n i s ma n dc r a n kr o c k e rm e c h a n i s ms y n t h e s i sm e c h a n i s m t h e nd e s i g nr o l l i n gc l a m pb o d yi n s t i t u t i o nf o r t h er o u n dc o m e ro fc r a n k s h a f tt o t a l l y a n dk e yp a r t s u s ep r o ef o rt h et o o l ，e s t a b l i s ht h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ew h o l e i n s t i t u t i o n , d e t e r m i n et h er e l a t e dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sp r e l i m i n a r i l y , p r o v i d ed e s i g n p l a t f o r mf o rf u r t h e ra n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n g t ot h ew o r k i n g p r o c e s so f t h er o l l i n gc l a m pb o d yi n s t i t u t i o n ，u s er o d g r o u pa n a l y s i st od i v i d et h i sc o m p l e xm e c h a n i s mi n t os i m p l es i n g l el i n k 、r r r d o u b l ep o l eg r o u pa n dr p rd o u b l ep o l eg r o u pi n s t i t u t i o n s ，a n a l y z ek i n e m a t i c s u s e p r o es o f t w a r et oa s s e m b l yt h ed e s i g nc o m p o n e n t ，a n a l y z em o t i o ni n t e r f e r e n c e ，t o p r e p a r ef o rt h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o n , m o t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n a l y s i sc o r r e c t n e s s a n d r e l i a b i l i t yo fv e r i f yk i n e m a t i c s u s et h ea n a l y s i st o o lo f a n s y sw o r k b e n c h ，u t i l i z et h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a n a l y z et h es t a t i co ft h em a i nc o m p o n e n tr o l l i n gc l a m pb o d yi n s t i t u t i o nf o rl e f ta n d r i g h tc l a m pb o d g e tt h es t r e s sf i e l d 、s t r a i nf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l d ，t h e a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tc l a m pb o d yi n s t i t u t i o ns a f e t yc o e f f i c i e n ti sv e r yl a r g e ，a l s o c a nb ef u r t h e ro p t i m i z a t i o n b yu s i n ga n s y sw o r k b e n c ho w no p t i m i z a t i o nm o d u l et od oo p t i m i z a t i o n d e s i g nf o rt h es i m p l i f i e dc l a m pb o d ym o d e l ，t h ei n p u tp a r a m e t e ri st h eh e i g h to f t h e t w oc l a m pb o d y , t h eo u t p u tp a r a m e t e ri st h ec l a m pb o d yq u a l i t ya n dd e f o r m a t i o n t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h ec l a m pb o d yh a sl a r g eq u a l i t yb e f o r eo p t i m i z a t i o n , i th a s c a u s e dt h a tw h i l er o l l i n gt h ef o r c ei n e r t i ai s v e r yb i g ，a n dt h ec l a m pi x ) d y d e f o r m a t i o ni sa l s ov e r yb i g ，d oo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sf o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n g t h er o l l i n gq u a l i t ya n de f f e c t , a n dg e tt h es i z ea n dp a r a m e t e r so fc l a m pb o d ym o d e l a f t e ro p t i m i z a t i o n t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc l a m pb o d yq u a l i t yw i t h i n b o u n d sh a sd e c r e a s ew i d e l y , a n dt h em e c h a n i s me n t i r ed e f o r m a t i o nh a sr e d u c e dal o t , i t si nf a v o ro f i m p r o v i n gt h eq 砌i t yo f r o l l i n gp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：c r a n k s h a f tf i l l e tr o l l i n g ；t h ec l a m pb o d yi n s t i t u t i o n ；r o dg r o u p a n a l y s i s ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论：1 1 1 课题研究背景及意义一1 1 2 课题研究现状分析2 1 3 课题来源、主要研究内容及方法：j3 1 3 1 课题来源3 1 3 2 主要研究内容及方法3 第2 章曲轴圆角滚压钳体机构构型与设计5 2 1q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压机床滚压机构的分析5 2 1 1q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统概述5 2 1 2q h 2 一- 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统滚压机构方案讨论7 2 2 曲轴圆角滚压钳体机构主要设计要求9 2 3 曲轴圆角滚压钳体机构的构型选择1 0 2 3 1 机构构型设计的一般原则1 0 2 3 2 机构的构型组合方法1 1 2 3 3 机构的选型1 2 2 4 曲轴圆角滚压钳体机构组成及工作过程1 3 2 4 1 曲轴圆角滚压钳体机构概述1 3 2 4 2 曲轴圆角滚压钳体机构方案讨论1 5 2 4 3 曲轴圆角滚压钳体机构的工作过程1 7 2 5 曲轴圆角滚压钳体机构的总体设计1 8 2 5 1 曲轴圆角滚压钳体机构的的参数确定1 8 2 5 2 杠杆比i 的确定1 9 2 6 曲轴圆角滚压钳体机构的构件设计1 9 2 7 本章小结2 2 第3 章曲轴圆角滚压钳体机构运动学分析与仿真2 3 3 1 曲轴圆角滚压机构运动过程的分析2 3 3 1 1 运动方程的建立2 4 3 1 2 组成气缸的杆组( r p r ) 运动分析2 6 3 1 3 杆组分析计算子程序2 8 3 2 曲轴圆角滚压钳体机构的装配及干涉检查2 8 3 2 1 曲轴圆角滚压钳体机构的装配2 8 3 2 2 曲轴圆角滚压钳体机构的干涉检查2 9 3 3 曲轴圆角滚压钳体机构运动学仿真分析3 0 3 3 1p r o e n g i n e e r ( m x d ) 运动仿真过程3 0 3 3 2 曲轴圆角滚压钳体机构运动学仿真结果分析3 4 3 4 本章小结3 6 第4 章曲轴圆角滚压钳体机构的有限元分析3 7 v 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 曲轴圆角滚压钳体机构模型的建立3 7 4 1 1 确定建模方案3 7 4 1 2 模型的简化3 7 4 2 模型的单元选择与网格划分3 8 4 2 1 单元选择3 8 4 2 2 网格划分一3 9 4 3 载荷以及边界条件的确定4 0 4 4 求解及结果分析4 0 4 5 本章小结4 2 第5 章曲轴圆角滚压钳体机构优化设计4 3 5 1 优化设计的基本原理4 3 5 2a w e 优化设计的分析步骤和特点4 4 5 2 1a w e 优化设计的分析步骤4 4 5 2 2d e s i g ne x p l o r e r 的特点4 6 5 3 滚压钳体机构优化设计4 7 5 4 优化计算及结果显示5 0 5 5 本章小结5 5 第6 章总结与展望5 6 6 1 论文总结5 6 6 2 展望5 7 参考文献5 8 致谢6 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 2 v l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着我国经济的日益发展和科学技术的进步，机械制造业作为我国工业的 重要组成行业的发展也是日新月异，而汽车工业是机械行业的支柱产业，它的 发展直接影响机械行业的进步。 如今，汽车是人们出行必不可少的交通工具，它的关键部件的设计和制造 问题越来越引起业内的重视。汽车发动机的五大部件：机体、曲轴、连杆、凸 轮组以及缸盖，其中曲轴部件是发动机的支撑，同时也承受了相当大的载荷， 疲劳断裂和轴颈磨损过度是曲轴的主要失效形式，为了保证曲轴优良的性能以 及发动机的正常工作，曲轴需要很高的加工工艺水平，比如足够的强度和刚度， 较好的耐磨性能，这些均对发动机乃至汽车整体性能与可靠性有着巨大的影响。 氏乌热疑 图1 - 1 曲轴结构 1 一自由端；2 一主轴颈；3 一曲柄销；4 一曲柄；5 一功率输出端。 如图1 1 所示，曲轴主要由3 大部分组成：1 、曲轴的自由端；2 、曲柄销、 曲柄和曲拐；3 、功率输出端。从曲轴的机构可以看出，曲轴各段的连接方式是 采用圆角过渡的形式，这种连接方式有利于减小转角和连接处的应力集中以及 提高疲劳强度。在发动机工作时，曲轴承受着复杂的交变载荷作用，其主轴颈 与连杆颈的过渡圆角处容易发生由交变应力产生的疲劳断裂，尤其需要考虑曲 轴的工况条件很恶劣这个前提条件，所以目前国内外均采用曲轴圆角滚压这一 工艺措施对过渡圆角处进行强化处理，提高曲轴的使用性能和寿命。 武汉理工大学硕士学位论文 从国外发达国家进口这种机床价格昂贵，鉴于此，近年来国内开始逐步收 集曲轴圆角滚压的关键技术和设备研制资料，国内某大型机床加工企业与我校 合作制造和研发曲轴圆角滚压机床，这种机床即可以实现曲轴滚压强化，也能 够完成滚压校直工序，加工过程是这样的：对于4 缸发动机的曲轴，先将曲轴 吊装到机床上，利用车头的卡盘与尾部的顶尖把曲轴固定到位，开启机床使曲 轴圆角滚压钳体靠近并夹紧曲轴的主轴颈和连杆颈，依次滚压轴颈圆角处，完 成后滚压钳体松开，传感器探测头伸出来检测各个主轴颈和连杆颈，测量完跳 动值后，探测头收回，显示装置显示出曲轴测量是否合格，如果发现滚压不合 格，即曲轴的弯曲度超过许可范围，就继续滚压曲轴的某些部位，目的是为了 对其进行校直，直至合格为止。 研究曲轴圆角滚压工艺和研制相关的设备，已成为当前汽车行业乃至整个 机械工业不可忽视的一部分，有着极其深远的意义和影响。 1 2 课题研究现状分析 从二十世纪五十年代开始，国外发达国家就已经开始研究曲轴圆角滚压智 能加工机床相关技术和装备，当时，德国已经开始采用圆角滚压强化手段来加 工发动机曲轴，特别是德国著名公司h e g e n s c h e i d t 的滚压技术，据有关资料的 统计，该公司的滚压技术可以大大提高曲轴抗疲劳强度，提高1 5 0 一1 8 0 甚至更高，国外的曲轴圆角滚压可以实现曲轴滚压、测量和校直三位一体，其 技术及设备已经非常成熟【4 3 】。 在贸易全球化和金融危机的影响下，国内各曲轴生产厂家面临着巨大的挑 战，并逐步想方设法改进自己现有的技术和研究状况，目的是为了提高业内竞 争力，并不断引进国外先进技术和设备。就目前情况而言，国内的大多数设备 都靠从国外发达国家进口。 从国外资料了解到，一般曲轴通常是依靠离子氮化与圆角滚压工艺结合来 进行复合强化，这种方法是利用多种强化工艺的组合，如轴颈圆角滚压和淬火 组合对曲轴进行强化，这样做可以很大程度的提高曲轴的抗疲劳强度和耐磨性。 由此可见，曲轴圆角滚压工艺应用于实际工程中来提高曲轴的抗疲劳强度已是 大势所趋。目前，国外均采用此类方法且效果显著。但在国内，只有为数不多 的曲轴生产厂家和汽车制造厂家进行了这方面的尝试和研究，国内一些专家已 经认识到单纯采用氮化或圆角滚压工艺已难以满足发动机对曲轴的可靠性要求 武汉理工大学硕士学位论文 的问题【3 1 ，并克服了曲轴半精磨后滚压再进行精磨，会将滚压强化层磨去、会 显著降低疲劳强度的传统观念。通过解决这方面的问题，使国内不需要花巨额 资金从国外进口此类技术。 但据统计，曲轴圆角滚压的最佳滚压参数还是工程上难以解决的关键技术 问题，这方面国外学者还在深入研究，研究的成果和资料文献都不是很丰富， 而国内对于这些工艺参数的实验研究更难，国内的滚压设备和技术基本依靠从 国外发达国家进口，不可能对滚压设备的设计方法和原理全部参透，因此对于 国内学者来说，针对滚压设备选取合理的滚压参数是目前需要亟待解决的问题。 1 3 课题来源、主要研究内容及方法 1 3 1 课题来源 本课题来源于国内某大型机床制造企业与武汉理工大学与的合作项目：国 家“高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项课题。该项目主要研究任务 包括滚压机床整机与关键零部件优化设计技术，滚压机床稳定性、可靠性研究； 滚压机床专用数控系统和压力控制液压伺服系统研究；曲轴圆角滚压强化机理 研究与曲轴圆角滚压及滚压校直工艺过程研究；曲轴滚压与质量检验技术规范 或技术标准研究等。 1 3 2 主要研究内容及方法 滚压力、滚压道次以及滚压速度是曲轴滚压工艺的三个主要参数。滚压力 对疲劳强度的影响很大，曲轴材料强度、钳体压力波动、滚压机构质量、滚压 机构惯性力及滚压深度等都会对最佳滚压力造成很大的影响，对于钳体波动和 最佳滚压力的确定，还没有数学公式能准确计算得到，一般都是通过对曲轴进 行疲劳强度实验确定的，滚压实验表明，在给定滚压力的条件下，滚压一定的 道次，压痕深度和凸缘高度不再继续扩展，达到最大值，曲轴疲劳强度不再增 加 4 1 。滚压速度对曲轴的疲劳强度直接影响不大，但对滚压质量和滚压效率有 一定的影响h 4 1 。曲轴圆角滚压钳体机构的主要研究工作大体包括：滚压机构的 静力学分析、运动学和动力学分析、关键部件优化设计、可靠性与稳定性分析 武汉理工大学硕士学位论文 等。本项目将研究出一种新型的滚压机构并对新机构进行三维模型的建立以及 运动学仿真分析、静力学分析和优化设计，对机构模型尺寸和相关参数进行优 化，优化的目的是为了减小钳体的质量和滚压变形量，适当减小滚压时的惯性 力，使压力波动尽可能减小，如此做可以提高曲轴圆角滚压的质量和效果。 本课题使用的软件主要为p r o e n g i n e e r 、a n s y sw o r k b e n c h ，以曲轴圆 角滚压钳体机构为研究对象，采用了仿真分析、有限元分析和优化设计等方法， 其主要研究内容如下： 1 、曲轴圆角滚压钳体机构构型选择和工作过程 探讨了曲轴圆角滚压钳体机构的组成和构型选择，分析了国内由车床成功 改造的q h 2 0 4 0 滚压机构的不足之处，遵循机构的主要设计要求，基于机构的 工作过程，进一步研究机构方案的选定和总体设计。 2 、钳体机构机械结构的建模 根据所设计的各零部件的结构尺寸，运用三维参数化建模软件 p r o e n g i n e e r 建立曲轴圆角滚压钳体机构的三维模型。 3 、钳体机构运动学仿真分析 利用杆组分析法简化滚压钳体机构的模型，分别对构成该机构的单杆构件 和双杆组中的关键点进行了运动分析，列出运动分析方程作为理论参考。然后 对整个机构基于p r o e n g i n e e r 进行装配，并进行运动学仿真分析，做了干涉 检查，通过运动仿真分析验证了机构的稳定性和合理性。 4 、钳体机构的静力学分析 运用有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 对钳体机构进行了静力学分析。 通过应力、应变和总体变形图分析结构的静刚度，分析应力集中和最大变形， 证明其可以达到设计和工作的要求，并且还有很大的优化空间，静力学分析为 优化设计提供了依据。 5 、钳体机构的优化设计 基于a n s y sw o r k b e n c h 对钳体机构做了优化设计，优化的输出参数是机 构的质量以及整体变形。优化设计的目的是为了优化钳体机构模型的尺寸，使 钳体机构的相关参数能够更合理，使得钳体的质量在允许范围内尽可能减小， 减小了滚压时的惯性力，静力学分析时发现钳体总体变形相对于滚压圆角来说 变形过大，故同时也把总体变形作为优化参数进行探讨。优化结果表明，机构 质量较优化前减小，钳体总体变形有较大的减小，有利于提高曲轴滚压的效果。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章曲轴圆角滚压钳体机构构型与设计 曲轴圆角滚压钳体机构是曲轴圆角滚压机床的关键机构，它的设计与构型 直接影响曲轴滚压的质量和寿命。国内通过车床成功改造的q h 2 0 4 0 曲轴圆角 滚压机床滚压机构主要由滚压钳、加压油缸、压力传感器和摆差传感器等组成， 能够基本完成对曲轴圆角的滚压，但其滚压效率不高，且滚压效果不明显。而 本章针对q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压机床滚压机构的不足之处，提出了对其滚压机 构构型的改进方案，改进后的构型十分巧妙，并在此基础上对曲轴圆角滚压机 床的滚压机构进行总体与相关构件的设计。实践证明，这种机构能够满足一般 汽车发动机曲轴的需求。 2 1q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压机床滚压机构的分析 2 1 1q h 2 - - - 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统概述 随着汽车工业的蓬勃前进，汽车曲轴的工艺质量和寿命问题越来越引起人 们的关注。曲轴的作用是承受来自连杆的作用力，作用力能够使曲轴绕自身轴 线产生扭矩。在发动机工作过程中，曲轴受到惯性力、自身重力等作用力的共 同作用，导致其承受了巨大的弯曲扭转载荷。而进行曲轴圆角滚压就是为了减 小过渡圆角处的应力集中，目前国内外均采用这一方法进行曲轴加工。因此， 专用的加工机床设备的研制就势在必行。 早在6 0 7 0 年代，国内的相关学者就开始研究这种加工设备，但很难有一 些大的进展。其中，最典型和最成功的产品之一是国内某大型机床加工企业与 我校联合研制的q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统，该系统由车床改 造而来，其外型如图2 1 所示 1 5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统 该机床集机电一体化、液压伺服系统、检测技术为一体，可以对4 缸和6 缸发动机曲轴进行工艺加工，该机床主要的性能指标有：1 、所加工的曲轴长度 范围是4 0 f f - - 1 3 0 0 m m 左右；2 、主轴颈和连杆颈最大加工直径为1 3 0 i 呦；3 、 主轴颈和连杆颈最大加工轴颈宽度为5 0 m m ；4 、最大滚压力为5 0 k n ；5 、主轴 转速10 - - 15 0 0 r n f i n 。 q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统的工作原理如下： ( 1 ) 滚压开始前，加压油缸和油缸没有工作，全部处于无压力状态，夹钳 机构远离工作平面，且两钳口是张开的，这样便于把曲轴安上工作台。待曲轴 装上后，根据中心定位原理，一端用卡盘卡死定位，另一端用顶尖顶死，为滚 压做准备。 ( 2 ) 钳体机构通过滑台移动到工作位置处。曲轴在滚压机床的主轴驱动下 完成旋转运动，然后加压油缸对轴颈处加压，并产生了一定的滚压力，头架再 次带动曲轴旋转。滚压数圈后，由于曲轴材料致密度和压痕深度都已饱和，达 到其最大值，且不会再继续增大，故曲轴的疲劳强度不再增加【5 】。 ( 3 ) 钳体机构在滑台上轴向移动到第二工位，且曲轴在主轴驱动下转动 1 2 0 。，重复步骤2 ，此时钳体机构即完成第二工位主轴颈和连杆颈的滚压。 ( 4 ) 接着钳体机构在滑台上轴向移动到第三工位，曲轴在主轴驱动下再转 动1 2 0 。，重复步骤2 ，此时钳体机构完成第三工位主轴颈和连杆颈的滚压。 ( 5 ) 滚压结束后，利用摆差装置的测头测量出曲轴轴颈处的跳动值，检测 6 武汉理工大学硕士学位论文 值可以直观的从显示屏观察到，可以检查出曲轴是否合格，当发现不合格零件 时，对不合格的曲轴进行校直滚压。 ( 6 ) 滚压和测量完全部的主轴颈和连杆颈后，加压油缸泄压，滚压钳松开。 此曲轴圆角滚压强化系统可以完成曲轴圆角滚压、弯曲变形测量和滚压校 直三道工序，利用q h 2 0 4 0 的滚压机构对一根四缸曲轴进行滚压校直，需要 花费1 0 分钟到1 5 分钟左右的时间，且只能一次完成两个轴颈的滚压，滚压效 率很低，一次滚压成功率不高，这样的系统远远不能满足如今汽车工业的需要。 2 1 2q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统滚压机构方案讨论 如图2 2 是q h 2 0 4 0 的滚压机构简图，该机构由三个运动机构组合而成， 即往复摆动机构、加压运动机构和圆周运动机构，滚压钳体在加压油缸的作用 下曲轴的主轴颈和连杆颈进行夹紧，给曲轴的轴颈处提供了一定的滚压力，曲 轴在机床主轴的驱动下开始旋转，滚压钳的滚轮对曲轴圆角压紧，利用两个托 轮托住曲轴，即可对圆角开始滚压。在滚压过程中，滚压机构钳口部分演变成 了一个曲柄摇杆机构，曲轴的连杆即为曲柄，曲轴绕轴线作圆周转动即为曲柄 作圆周旋转，完成对轴颈的滚压。 淆台 图2 2q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统的机构简图 由图2 2 可知，该机构是一个卧式滚压机构，其往复摆动机构( 如图2 - 3 所示) 可以认为是一个摇杆滑块机构，机构通过在滑台上的横向移动来实现对 曲轴轴颈的夹紧和分离，此机构的优点和缺点都很明显，其结构的设计和计算 简单，运动和动力容易实现。但机构整体布局不够紧凑，所占的空间比较大， 显得整个机构很笨重，机构反应不够灵敏，且使用滑动不能很精确实现对曲轴 轴颈位置的判断，在实现对轴颈夹紧时会产生很大的偏差，这一点是在改进该 武汉理工大学硕士学位论文 机构时需要考虑的一点。 图2 3 往复摆动机构 港台 加压运动机构是滚压机构中最重要的机构之一( 如图2 - 4 所示) ，它主要给 曲轴的轴颈处提供了一定的滚压力，且停止滚压时，能使钳口顺利的脱离轴颈， 松开一定的距离。此机构的优点和缺点也很明显，该机构加压油缸和滚压头之 间的距离很短，运动过程和作用力比较容易实现，加压油缸行程比较大，能够 给曲轴的轴颈处提供了很大的滚压力( 3 卜5 t 左右) ，也能使钳口顺利的脱离轴 颈。但由于此机构不是标准的杠杆机构，加压油缸与工作台平面不是垂直布置， 杆件与输出压力存在一定的角度，导致该机构的输出压力f 的大小难以保证， 所以该加压机构仍然可以进行进一步的优化。 滚压 托架 图2 - 4 加压运动机构 钳体机构夹持住轴颈并随轴颈一起转动滚压的圆周运动过程可以用曲柄摇 杆机构来实现( 如图2 5 所示) ，其中杆a b 是主动件，即为滚压机构中曲轴的 连杆部分，钳口压力集中在b 点，该曲柄摇杆机构运用到滚压机构中很容易实 现，且结构简单明了。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 圆周运动机构 将上述提到的往复摆动机构、加压运动机构和圆周运动机构组合起来即为 q h 2 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统的滚压机构。一般汽车的4 缸发动 机曲轴拥有5 个主轴颈和4 个连杆颈，所以在曲轴上需要分别并排9 套滚压钳， 故对滚压机构轴向布置的尺寸要求非常高，不能使机构轴向尺寸太大，而无法 并排放下9 套滚压钳，则在设计中需要使轴向尺寸尽量小。q h 2 - - 0 4 0 曲轴圆 角滚压数控智能加工系统的滚压机构运用到工程实际中可以看出，一次只能对 两个轴颈进行滚压，滚压效率很低，无法同时并排放下9 套滚压钳进行滚压， 其原因是该滚压机构的往复摆动机构和加压运动机构所占用的空间太大，导致 结构不够紧凑。 通过分析，q h 2 = - 0 4 0 曲轴圆角滚压数控智能加工系统滚压机构存在以下 问题： 1 、该滚压机构无法一次完成对所有轴颈的滚压，滚压效率和成功率均较低， 在对机构的改进中需要考虑每次滚压尽量能够对多个轴颈进行滚压，即提高滚 压效率，以满足目前市场对曲轴生产率的需求。 2 、在滚压4 缸发动机曲轴时( 5 个主轴颈、4 个连杆颈) ，需要能够并排放 下9 套滚压钳，要求轴向尺寸尽量小，且在滚压的过程中不会发生干涉现象。 基于以上各种原因，需要对q h 2 - - - 0 4 0 的滚压机构进行结构上的改进，使 得其能够提高滚压效率，节省滚压时间。 2 2 曲轴圆角滚压钳体机构主要设计要求 曲轴圆角滚压钳体机构的设计不仅需要满足机构的运动规律，而且要充分 考虑机构的设计要求，考虑到滚压钳体机构工作过程复杂，对该机构有如下的 设计要求： ( 1 ) 滚压开始前和滚压结束后，为了方便上下曲轴和节省空间，应该使滚 9 m 疬e 翅孑孙 武汉理工大学硕士学位论文 压机构的钳体位于工作台面以下。 ( 2 ) 当钳体移动到相应轴颈处之后，加压油缸开始工作，提供一定的滚压 力在夹钳机构传递并施加在轴颈上，同时滚压机床的主轴驱动曲轴作旋转运动， 滚压钳的滚轮对曲轴圆角压紧，利用两个托轮托住曲轴，即对圆角开始滚压。 ( 3 ) 使轴向尺寸尽量小，能够并排放下9 套滚压钳，要求能够一次完成对 所有轴颈的滚压。 ( 4 ) 在整个运动过程中，不得出现死点，且具备良好的运动和动力性能。 ( 5 ) 结构紧凑，轮廓尺寸符合整机参数要求，以减小滚压过程中的惯性力， 保证机构质量轻。 2 3 曲轴圆角滚压钳体机构的构型选择 曲轴圆角滚压钳体机构的机构型式设计和选择需要满足各执行运动特性和 功能要求，其直接影响机械的工作质量、使用效果和结构复杂性等。机构的构 型选择是利用发散思维将所熟悉的机构按照运动特性或动作功能进行分类，然 后根据设计对象中执行构件所需的运动特性或动作功能进行选择、组合、比较 和评价，选出执行机构合适的型式。 2 3 1 机构构型设计的一般原则 根据曲轴圆角滚压钳体机构所遵循的工艺动作或功能要求来看，需要选择 合适的机构型式来实现相应的动作，而机构构型设计需要满足以下几个基本原 则： ( 1 ) 能够满足构件运动的顺序动作和要求： ( 2 ) 机构要求越简单越好，应该更容易实现，运动链尽量短； ( 3 ) 具有良好的动力条件和动力特性； ( 4 ) 具有较高的机械效率； ( 5 ) 适当选择原动机的类型，以简化结构和改善运动质量； ( 6 ) 保证使用机械时的安全性。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 机构的构型组合方法 滚压机构的构型中涉及到运动副的合成与分解，几个简单运动副元素组成 一个有复杂功能的运动副是运动副的合成；反之，一个运动副分为几个简单运 动副的过程是运动副的分解。在分析机构中运动副的合成，需要注意的是： ( 1 ) 先认定合成运动副中运动的输入及输出构件。 ( 2 ) 从输入构件开始，向输出构件方向逐步分割出一自由度单元机构和两 自由度单元机构。 ( 3 ) 将上述单元机构组成的机构系统，从输入构件开始，画出各单元机构 之间运动传递关系框图。 根据分析机构中运动副的合成规律，可以很清晰明了的了解到组合机构是 如何实现运动传递的，即可以绘制出组合机构的运动传递框图，该图大致由这 样几个机构的组合方式组成：机构串接组合、并接组合、回接组合、叠接组合 以及时序组合。它们的定义分别是这样的： 机构串接组合：机构串接组合有两种形式，它们分别是构件固结式串接组 合以及轨迹点串接组合【6 1 。顾名思义，构件固结式串接组合是由若干个机构分 别由前后机构的输出构件和输入构件固结，且其连接方式是串联的；而轨迹点 串接组合是通过把前面一个机构某一点的运动轨迹与它之后的机构的构件连接 起来，该连接方式是铰链连接形式。 机构并接组合：其基础构件为多自由度的单元机构，把其他的单元机构的 输出构件与该基础构件相连接，但它们不是首尾相连接的形式。 机构的回接组合：其基础构件同样也为多自由度的单元机