（光学工程专业论文）seat发动机曲轴的结构及工艺性能分析研究.pdf

摘要 y ，6 3 4 6 4 0 摘要 曲轴是发动机中关键零件之一，其性能的好坏直接影响发动机的整体性能。 借助于南汽集团立项之机，本文对s e a t 发动机曲轴的结构和工艺性能进行了详 细的分析研究。论文从分析s e t a 发动机曲轴结构特点出发，利用三维建模软件 c a t i a 分别建立了1 5 升和1 7 升发动机曲轴的三维几何模型，利用a n s y s 有 限元分析软件对其进行了动、静态性能分析；为了优化曲轴的工艺性能，本文根 据现有工艺能力和生产水平，对曲轴的生产工艺过程进行了较详细的描述，讨论 了工艺方法和工艺过程对曲轴性能的影响，包括表面强化方法、中频淬火以及滚 压的影响。本文重点分析了曲轴感应热处理工艺及其对曲轴性能影响的控制。 为了验证本文所采取的工艺方法的可行性、有限元建模的正确性，本文对 s e a t 发动机曲轴样件进行了疲劳强度试验。结果表明，本文所建立的理论模型 是正确的，所采取的工艺方法是合理的。 关键词：发动机、曲轴、有限元、工艺、试验 a b s t r a c t a b s t r a c t c r a n k s h a f ti so n eo ft h ek e yp a r t si ne n g i n e ，i t sp e r f o r m a n c ew i l lh a v eag r e a t e f f e c to nt h ee n g i n e a sap r o j e c tr e g i s t e r e db yn a n j i n ga u t oc o r p ，t h ec r a n k s h a f t s t r u c t u r ea n dp r o c e s sc h a r a c t e ro fs e a te n g i n ew e r ea n a l y z e dd e t a i l e d l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n f r o ma n a l y z i n gc r a n k s h a f ts t r u c t u r e ，b yc a t i as o f t w a r e ，t h e3 dm o d e l s o f1 5 la n d1 7 le n g i n e sw e r es e tu p ，a n db yu s i n gt h ea n a l y z i n gs o l f w a r ea n s y s ， t h e i rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e dt o o i no r d e rt o o p t i m i z e c r a n k s h a f tp r o c e s sp e r f o r m a n c e ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tp r o c e s sc a p a b i l i t ya n dl e v e l ， t h eo p e r a t i n gp r o c e s sm e t h o d sw e r ed e s c r i b e d ，t h ee f f e c t so fp r o c e s sm e t h o d sa n d c o u r s et oc r a n k s h a f tp e r f o r m a n c ew e r ed i s c u s s e da sw e l l ，f o re x a m p l e ，s u r f a c e s t r e n g t h e n , q u e n c h i n ga n dr o l l i n g a sae m p h a g e s ，t h ee f f e c t i v ec o n t r o lo fi n d u c t i o n h e a tt r e a t m e n tw a s a n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n i no r d e rt ov a l i d a t et h ep r o c e s sf e a s i b i l i t ya n dt h e o r e t i cc o r r e c t n e s s ，f a t i g u e p e r f o r m a n c et e s tw a sd o n e i nc o n c l u s i o n ，t h er a t i o n a l i t yo fp r o c e s sa n dt h e o r e t i c m e t h o d sw a sc o n f i r m e da t 】a s t k e y w o r d s ：e n g i n e ，c r a n k s h a f t ，f e m ，p r o c e s s ，t e s t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：j 毽型 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研姓签名盗堡丝衙7 刖日 南京理f ：人学i 。群硕十学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及】：艺性能分析研究 1 绪论 1 1 课题的提出 11 ，1 课题的提出 随着市场经济的迅速发展，作为国民经济支柱产业的汽车工业面临着严峻的挑战。由 于我国汽车工业起步较晚，无论是整车还是零部件，无论是设计思想、方法、手段还是制 造的材料、加工工艺水准，均与发达国家有相当大的差距。因此，如何借鉴国外的成功经 验，结合我国的实际情况，积极发展我国的民族汽车工业，则是目前我国汽车工业面临的 重要课题。 为了能在较短的时间内缩小与发达国家的距离，在将来的竞争中立于不败之地，自改 革丌放以后，国内不少厂家纷纷通过合作或合资的方式引进发达国家比较成熟的设计技 术、制造技术和管理理念，提升自己的设计、制造及管理水平。就是在这种背景下，南京 跃进汽车集团公司于1 9 9 6 年开始引进西班牙发动机生产线，生产机型为意大利f i a t 产品。 为适应国产化的要求，南京菲亚特公司决定依托意大利菲亚特公司图纸，综合考虑国内生 产工艺、材质及加工设备等因素，对s e a t 发动机进行改进设计。由于曲轴是发动机中最 重要、载荷最大、价格较贵的部件之一，其尺寸大小在很大程度上影响着发动机的外形尺 寸、质量、工作可靠性以及寿命，且国产化过程中可能出现的问题较多，因此本课题决定 选择曲轴为研究对象。另外，曲轴不仅承受气缸内气体作用力、往复运动质量惯性力及旋 转质量惯性力引起的周期性变化的载荷，还要对外输出转矩，并伴有扭转振动，因此极易 引起疲劳及失效。而一旦曲轴断裂，就可能引起其它零件随之损坏，严重的甚至能造成人 身伤亡和财产损失。再者，复杂苛刻的工作条件决定了曲轴必须具备足够的强度、刚度， 良好的耐磨性、动念特性，因此，这决定了曲轴的结构极其复杂，加工精度要求高，加工 难度大。如何合理选择曲轴的结构形式、尺寸参数、材料和工艺以获得最满意的技术经济 效果就显得极为棘手，但反过来又为优化设计提供较大的空间。 论文在分析曲轴结构特点的基础上，对其进行三维实体建模，然后进行有限元网格划 分和解算，通过分析其静态、动态、工艺、结构等特性的变化对其自身的影响，为曲轴以 后的设计提供理论参考和指导性建议。 1 1 2 课题的研究意义 本课题的研究目标是以s e a t 发动机曲轴为研究对象，对其进行有限元仿真分析，找 出应力集中的部位，并提出最终的改进设计建议。 l 南京理j 人学l 。群硕十学位论文 s e a t 发动机曲轴的结构及1 艺性能分析研究 课题的实施具有重要的理论意义和实用价值，主要表现在： ( 1 ) 尽管s e a t 发动机是南京跃进汽车集团从意大利菲亚特公司引进的成熟产品。在国 产化时，受设备、加工条件、工艺方法、人员及国内配套厂所提供的坯料材质等因素的影 响，对其进行改进设计使其符合国内的实际情况是必不可少的。在结合经验、试验基础上， 课题的实施能够在较短的时间内为曲轴改进设计甚至是整机的改进设计指明方向并提供 方案，在克服以往改进设计具有盲目性的同时，极大地缩短改进设计时间，降低设计、试 验费用。 ( 2 ) 该课题尝试采用现代设计方法与分析手段来解决工厂的实际问题，探寻结构设计 及相关分析的优化方法和手段。在提高设计理论水平的同时，为曲轴或类似部件的有限元 建模积累经验，为以后的优化设计或改进设计提供指导性的建议和帮助。 因此，用有限元法对曲轴进行强度、剐度、疲劳寿命及模态分析，无论是在产品开发 阶段、改进设计阶段还是在实验验证阶段，都具有重要的意义。 1 2 曲轴性能分析现状 发动机曲轴的设计与制造应立足于提高其强度和刚度，为了预测曲轴相关性能，在样 件生成出来之前，常常采用包括有限元法、优化设计、动态设计等现代先进设计技术在内 的计算机分析、预测和模拟。有限元法是最有效的数值计算方法之一，它使人们对零部件 关键参数的理解和设计更进了一步。由于使用虚拟模型，从而使设计周期更短，费用更低， 质量更高。有限元技术在内燃机零部件设计中的广泛应用，提高了设计的可靠性，优化了 结构，缩短了设计周期，降低了设计成本。 1 3 有限元法及其在曲轴性能分析中的应用 由于计算机的出现和发展，力学领域也随之发生了巨大变革。以有限元法为代表，包 括有限差分法、边界元法、加权残数法等一系列离散数值计算方法，在近几十年来得到蓬 勃的发展，它的使用范围越来越厂，并逐渐形成- - f 与固体力学、流体力学和一般力学并 列的新学科计算力学引。 3 0 多年来，有限元法的应用范围已从卡r 、梁类结构分析，经典弹性力学平面问题扩展 到对空t n j 问题以及板壳问题的分析，由分析静态问题扩展到分析动态问题、波动问题和稳 定问题。分析剥象也从弹性介质材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等。由此可 见，有限元法已获得了莳所未有的巨大发展。 7 南京理1 人学1 ：删硕十学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及i ：艺性能分析研究 在工程实践中，有限元法可对几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂的各种结构及零 部件进行变形计算和应力分析，这是经典力学所不能及的。由于有限元法这一无可比拟的 优点，因此在飞机、船舶、汽车等机械产品的设计中都得到了广泛的应用。 目前，国内外软件设计部门已开发出大量的有限元分析软件，其中比较流行的有限元 分析软件及应用范围如表l ，1 所示f 2 j ： 表1l 常州有限元软什及应州范围 1 f 热 冲粘桥 气转 川范嗣线 塑 断应厚管船 击 焊 弹 结 瞬薄 复 动子 结 群序名称 性 一陛裂力 扳 道舶 接构 态 板 粱 合弹轴 构 框 分 分分 与 厚 系结 波 问 性 优分 薄 与 材 性承 稳 架 析 析析 蠕 壳 统构 传 题 问 化析壳 绗 料 力系 定 分 变 播题架 学统 性 析 ( 开发国家及单付) 、 a d i n a ( 美国) a n s y s ( 英国1 n a s t r a n ( 美国) s a p ( 美国) a s k a ( 德国1 m a r c ( 美国) i - d e a s ( 美国) d d j ( 人连理i + 人学) d d u ( 人迮理i 人学) x j f s ( 航空部八院) t a p 3 ( i 肯华人学1 从表1 1 可以看出，对于属于线形、三维实体问题的曲轴来说，上表中有多种软件可 用于对其作静态、动念分析。 1 4 课题的主要研究内容及方法 本课题紧密结合生产实际，利用现代设计理论和方法对s e a t 发动机曲轴性能进行理 论分析研究。从分析该曲轴结构特点出发，对其进行合理的简化，利用c a t i a 软件分别建 立了1 5 卅和17y ts e a l 、发动机曲轴的三维几何模型：利用a n s y s 分析软件建立曲轴有 限7 i 模型，并对其进行静强度分析和刚度分析，理论分析结果将为曲轴的进一步优化设计t 南京理1 人学i ：群硕十学位论文 s e a t 发动机曲轴的结构及f ：艺性能分析研究 提供理论依据。 本文分别讨论了曲轴的结构特征以及工艺性能对曲轴性能的影响，对发动机曲轴在南 京菲亚特发动机厂的加工工艺过程进行分析。 此外，本文采用试验手段对曲轴的疲劳性能进行了试验验证。 南京理r 人学i ：徉硕+ 学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及i ：艺性能分析研究 2s e a t 发动机曲轴结构分析 2 1s e a t 发动机曲轴的结构特点 s e a t 系列发动机曲轴结构形式见下图。 图2 1s e a t 发动机益轴结构 该曲轴选用4 曲拐，整体式结构。它的毛坯由整根钢料锻造的方法浇注出来。 整体式曲轴具有工作可靠、质量小等特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少。 s e a t 发动机曲轴采用全支承方式支承，其刚度较高，轴承摩擦损失较小。随着轴瓦 材判承载能力的提高，全支承方式不会引起发动机长度增加的问题。 2 2s e a t 发动机曲轴的性能及工艺需求 2 21 曲轴的性能要求 曲轴的工作条件极其复杂，不仅承受着缸内气体作用力、往复运动质量惯性力及旋转 质量惯性力引起的周期性变化的载荷，还要对外输出转矩，并伴有扭转振动。为保证发动 机长期可靠工作4 1 ，曲轴必须具有： ( 1 ) 足够高的弯曲疲劳强度。主要是弯曲疲劳强度、扭转疲劳强度和功率输出端的静强 度。弯曲载荷具有决定性的作用，弯曲疲劳失效是曲轴的主要破坏形式，破坏通常 从应力集中处开始，即从主轴颈及曲柄销到曲柄臂的过渡圆角处，或从曲柄销的油 道口边缘丌始。 ( 2 ) 足够高的弯曲刚度和扭转刚度。日的是减少挠曲变形、提高曲轴的自振频率。曲轴 弯曲刚度不足会加剧机体的纵向振动，产生附加应力，恶化连杆轴承和主轴承以至 南京理1 人学i 稗硕士学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及l ：艺性能分析研究 于活塞、连轲的工作条件，影响这些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使局部应力 过大而丌裂；曲轴扭转刚度不足，则会降低轴系扭振附加应力，加大传动机构的噪 声和冲击载荷下的磨损。 ( 3 )良好的耐磨性，轴颈尺寸应能够满足轴承承载能力和润滑条件的要求。 ( 4 )良好的平衡性。目的是尽可能地减少发动机的冲击和振动。 ( 5 ) 尽可能少的材料和小的尺寸。曲轴是影响发动机外形尺寸和质量的主要零件之一， 因此合理设计曲轴将对发动机总体性能产生非常大的影响。 苛刻的工况决定了曲轴结构形状非常复杂，其横断面沿轴线方向急剧变化。因而应力 分邗极为不均，尤其在曲柄臂和曲轴颈的过渡圆角部分及油孑l 附近会产生严重的应力集 中。长期工作运转后，有可能在应力集中区会产生破坏。弯曲和扭转疲劳断裂是曲轴的主 要破坏形式，尤其是弯曲疲劳断裂最为常见。曲轴的曲柄销、主轴颈及其轴承副在高比压 下高速相对旋转，容易造成发热和烧损。 综上可知，复杂工况下的曲轴的各项技术指标( 强度、刚度、耐磨及轻巧等) 之间彼 此制约，要想使其都达到最优显然是不可能的，这就要求在曲轴的结构、材料和工艺等三 方面作出妥善的处理。 22 2 曲轴的工艺需求 曲轴的工艺需求在结构设计和加 ：工艺正确、合理的条件下，主要考虑曲轴的材料强 度。因此，必须根据内燃机的用途及强化程度，币确地选用曲轴的材料。在保证曲轴有足 够强度的前提下，尽可能地采用一般材料，以铸代锻，以铁代钢。作为曲轴的材料，除了 具有优良的机械性能以外，还要求有高的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性，同时也要使曲轴 加工容易和造价低廉f 6 1 f ”。 2 3s e a t 发动机曲轴的工艺分析 根据s e a t 发动机曲轴结构特点以及常规曲轴工艺方法，南京菲亚特发动机j 一制定曲 轴工艺过程如下： 目测毛坯外观一曲轴打上线字码一铣前端面、后端面小沉槽、钻两中心孔 一铣一r 一艺基准而一车主轴颈、法兰外圆、导角、车主轴颈r 槽 一粗磨全部主轴颈及法兰外圆一高速外铣连杆及r 槽一钻、铰油孔 一# d 卜t l 检奄、去毛刺一清洗一感应淬火血个主轴颈和四个连杆颈 南京理，i ：人学i 群硕士学忙论文 s e a t 发动机曲轴的结构及工艺性能分析研究 一回火一滚压所有主轴颈及连杆颈r 槽一精磨f 时齿轮外圆 一去孑lr - q - 毛刺一检查轴颈硬度一检查曲轴表面、去锈一抛光 一手工清洗一曲轴最终清洗一综合测量一打标汜 南京理i 人学i 科硕十学位论文s e a t 发动机曲车l i 的结构及i ：艺性能分析研究 3s e a t 发动机曲轴的有限元建模 3 1 有限元法的基本思想 有限元法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体划分为有限个微小的单元体，这 些微小的单元体称为“单元”，两相邻单元问只通过节点相连接。将作用在结构体上的外 载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量。以这些单元体的集合替代原来的连续结构 实体，这一过程称为连续体的离散化f 8 】【叭。 离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程，因此也称为模型 化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的连续弹性体上分析的问题转化为 在离散化的模型上解一个多元代数方程。有限元方法的求解过程简单，方法成熟，但计算 工作量大，这特别适合于计算机计算，避免了人工在连续体上求分析解的数学困难，这就 是有限元方法广泛应用于复杂结构力学分析的原因。 有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法、应力法和混合法。应用最多的是位移 法。 在位移法中，通常选取多项式函数近似地表达单元体内位移分量的分布，这一通过节 点位移表达单元内部位移规律的函数称为插值函数，不同单元形式可以有不同类型插值函 数。有了插值函数，即可利用变分原理建立单元节点力向量和节点位移向量之间的关系， 即单元刚度矩阵。应用节点力平衡条件和协调条件，将所有单元刚度矩阵方程扩展后叠加， 建立结构整体节点力和节点位移的关系方程结构总刚度方程，结构总刚度方程是一个 以节点向量为基本未知数的代数方程组。引入约束条件后即可用计算机求解结构节点位 移，代入单元刚度方程后即可求得节点力和各单元内部应力和应变分量。 本项研究将利用c a t i a 三维建模软件”，建立s e a t 系列发动机盐轴几何模型，在此 基础上利用a n s y s 分析软件对其进行有限元分析。 3 2a n s y s 软件简介 a n s y s 公司的a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于体的大型通用有限 元分析软件，泼软件可浮动运行于从p c 枫、n t ：【：作站、u n i x 工作站直至巨型机的各类 计算机及操作系统，数掘文件在所有的产品系列和工作平台上均兼容，这样就保证了所有 a n s y s 用户的多领域多变i ：程问题的求解。基于m o t i f 的菜单系统使用户能够通过对话框、 下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作吼在产品设计中，用户可 南京理f 人学 科硕+ 学忙论文s e a t 发动机曲车l | 的结构及r ：艺性能分析研究 以使用a n s y s 有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩 短设计周期，提高设计的成功率。a n s y s 软件能与大多数c a d 软件实现数掘共享与交换， 如c a t i a 、p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、u n i g r a p h i c s 、i - d e a s 、a u t o c a d 等，它是现代产 品设计中高级的c a d c a e 软件之一。 a n s y s 的如下特点使得其在有限元分析软件中具有领先地位。 ( 1 ) 难一能实现多场及多场耦合分析功能的软件。用户不但可用其进行诸如结构、热、 流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些类型的相互影响研究。 ( 2 ) 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型f e a 软件。 ( 3 ) 强大的非线性分析功能。 ( 4 ) 支持从微机、工作站到巨型机的所有硬件平台，以及所有平台之间的并行计算。 ( 5 ) 可与大多数的c a d 软件集成并有接口。应用a n s y s 提供的数据接口，可精确地将 在c a d 系统下生成的几何数据传入a n s y s 中，减少重新建模所需的时间。 ( 6 ) 方便的二次丌发功能。应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户自定义界面 语言、外部命令等功能，可以开发适合自己特点的应用程序。 3 3c a t i a 软件简介 c a t i a 是美国i b m 与法国d a s s a u l ts y s t e m e s 公司共同丌发的c a d c a m 软件系统， 长久以来，世界航空航天工业和汽车工业的很大一部分都是c a t i a 的市场。c a t i a 拥有 超强的自由曲面和逆向工程的功能，以及领先全球的全面组合分析功能，具有人性化界面 和智能功能操作，使得一切复杂工作变得简单。另外c a t i a 系统具有多种数据转换格式， 能够生成诸如a n s y s 、n a s t r a n 、a d a m s 等分析软件的几何模型，因此本项研究拟采 用该软件建立曲轴的三维几何模型。 3 4 曲轴有限元模型的建立 34 1 曲轴几何模型的建立 根据不同分析计算的需要，相应选取不同的计算模型。本课题利用c a t i a 先后建立了 三种物理模型，并将它们导入a n s y s 中，即如图3 ，1 曲拐三维模型、3 2 半曲拐模型、3 3 整体三维模型。在此基础上确立了相应的有限元计算分析模型( 各类有限元模型见以下 各章) 。 9 南京理i 人学i ：程硕十学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及：j 艺性能分析研究 剧3 1曲拐物理模型图3 2 半曲拐物理模型 瞍3 3 s e a t 发动机曲轴整体模型 3 4 2 有限元网格的划分 有限元分析的基础是单元划分，所以，将研究对象划分为等效节点和单元是有限元分 析的必不可少的步骤。对于一个复杂的物理系统来说，为了得到足够精确的计算，需要成 千上力个单元，a n s y s 提供了方便的网格划分工具，以使程序自动对实体模型进行网格 划分，从而将实体模型转化为有限元模型。 在a n s y s 程序中，有限元的网格是由程序自己来完成的。本课题采用a n s y s 自带 的自动网格划分功能，选取s o l i d4 5 实体单元，油孔周围网格较密、其它位置网格较疏， 这能使得网格的粗细比例确当，提高计算效率。 3 4 3 曲轴约束的模拟 曲轴有限元模型的支承和约束最常用的处理方法是刚性约束，即在主轴颈中央横截面 上耿节点，令其径向位移为零，在曲柄销对称截面上取节点，令其轴向位移为零。由于这 种力法是点支承，与实际情况出入较大，计算所得峰值应力偏大，结果偏于安全。更为适 i o 南京理i ：人学。l ：科硕十学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及一r 艺性能分析研究 ：区的办法是主轴颈支承处按弹性支承处理，沿主轴颈轴向对一些节点加上刚度值为主轴承 刚度的弹性边界单元，如图3 4 所示。 t o l l 1 1 】【1 2 】 幽3 4 主轴颈端简化成弹性支撑示意图 34 4 曲轴载荷的施加 如果忽略机构摩擦阻力，则作用在曲轴上的载荷主要有以下四类：一类是缸内气体作 用力；第二类是睽i i i 性力；第三类是转矩；第四类是曲轴的自重。另外，对于内不平衡的发 动机，还承受内弯矩和剪力。i7 0 l 根据分析的需要，具体求解如下： ( 1 ) 缸内气体作用力 作用在活塞项上的总气体压力为： p = l o ( p 。一p o ) e( 3 1 ) 式中，以一缸内绝对压力，b a r ( 1 b a r = l 1 0 p a ) p o 一环境压力，一般取p 。= l b a r 一活塞面积，c m 2 p g 随曲柄转角劈的变化而变化，且依发动机型式和工况而异。 ( 2 ) 求解惯性力 设气缸、活塞销、中心线位于同一平面( 如图3 5 所示) ，活塞作往复直线运动，曲柄 o b 作旋转运动，连卡ta b 作平面复合运动。曲柄转角口是从气缸中心线顺着曲柄转动方 向量度的。当a = 0 时，图中a 和b 点表示活塞和曲柄销在上止点位置；当d = 1 8 0 。时， 活塞和曲柄销在上卜- 止点位置( a ”及口4 点) 。 ，黎 曩 愈 l i j 、一一， = 町( 1 + 去) ( c o s a ，4 - i 1c 。s f l ) i ( 3 2 ) c 。s 口“l 一土2 2 s i n2 口 x z ， ( 1 - c o s c e ) + 丢( 1 c 。s 2 硼 ( 3 3 ) u = 鲁( s i n o l + 知2 口) ( 3 4 ) 字=r彩(cosa+acos2tzc ) (35)a 、 ， 令! 竽= o ，由此解得最大活塞速度的曲柄转角 a a 扩c o s l 厍一耐1 6 ) 南京理一人学i ：样硕十学位论文 s e a t 发动机曲轴的结构及：艺性能分析研究 由此可见，活塞的运动速度随着转角a 的变化而变化，在上、下止点时，其速度为零， 实际上在上、下止点时f 是速度方向的转化点。当活塞运动到某一位置时( 曲柄转角为 5 。、) 速度达到最大值。 求晟大加速度 将式( 3 ，4 ) 对时间t 求导，得活塞加速度 ，= 等= r c o 2 ( c o s 5 + c o s 2 5 ) ( 3 7 ) 将式( 37 ) 对口求导： 堕= 一r 刃2 ( s i n a + 2 2 s i n 2 a ) d 口 ( 3 8 ) 令d d 5 = 0 ，有 s i n a + 2 2 s i n 2 c r = s i n 口+ 4 2 s i n 口c o s 岱= s i n a 0 十4 2 c o s a ) = 0( 3 9 ) 由s i n a = 0 ，即口= 0 。或1 8 0 。得正、负最大加速度 。：o = ，埘2 ( 1 + ) ，。：1 8 0 = 一r i o 2 ( 1 一五) ( 3 1 0 ) l h ( i + 4 c o s = o ，即当t = c o s - i ( 一去) 时( 仅当丑 1 ，4 ) ，得第二个负最大加速度， 即 厶，2r 缈2 ( c o s a + 2 c o s 2 a ) = ，出2 c o s sr + 2 ( c o s2 口一1 ) 】= - r t t o2 ( 丑+ 面1 )( 3 】1 ) 在实际中，活塞销中心向主推力边偏置，与上述曲柄连杆机构相比，其活塞速度和角 加速度的表达式只多了含因子埘的项，因偏置量小，进行理论分析计算时，采用上述模 型仍可达到满意的精度。 求淤性力 惯性力是由不平衡的质量运动而引起的，其中包含往复运动惯性力和旋转运动惯性 力。分析该机构的惯性力时，将连续分布质量的活塞、曲柄及连杆机构离散成用往复运动 质量脚，和旋转运动质量，的动力学等效的当量系统来代换，导出往复惯性力p ，和旋转惯 性力k 的表达式如下： p ，= 一， ，= 一州f r 2 ( g o s 5 + , i c o s 2 5 )( 3 1 2 ) k = h 1r ( 。 f 31 3 1 3 星堕堡型兰兰型型銎兰兰堡堡墨二 ! ! ! ! 叁塾塑些塑塑竺塑墨! ：茎些墼坌堑竺塞 m l2 mk 斗崩x “ 鸭。1 4 ) ”，。”7 r + ”+ 2 m m 一迎rf 3 i s ) 式中，”。一活塞组往复运动的质量： ? 。连杆往复运动的质量： 脚。连杆旋转运动的质量： 埘= 一曲柄销质量； 聊。一曲柄质量； s 。一曲柄质心离阿转运动中心的距离。 ( 3 ) 转矩 输出转矩： 肘产i p - - 万p ，x ，n 婶t + ) ( 4 ) 曲轴的自重力，可作为均布载荷分布到结构的相应节点上。 ( 5 ) 求曲柄销负荷 作用在曲柄连杆机构上的力 气体压力与往复惯性力两者作用在气缸中心线上，将往复惯性力也用单位活塞面积 的力求计算，则合成的单位活塞面积的力为： ? 7 2 ( p + 删只2 瓦p l ? 7 l e r ( 0 2 ( c 。s 口+ 概2 叻 ( 3 17 ) 设合成单位面积力p 作用在活塞销中心，它可分解为两个力：垂直气缸中心线将活塞 压向缸壁的侧向单位面积力p 。和沿连杆轴线作用的连杆单位而积力p ，： pn2p j g p | 。p 志 o j l8 ) 将p ，乘活塞面积就得压缩或拉伸连杆的工作载荷。但由于连杆组是按大、小头两个质 量近似换算的，严格蜕来，p ，1 i 是精确的连杆拉压单位面积负荷。 将，沿作用线移罕作用在b 点，可迸一步分解为： 南京理小人学l ：群硕十学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及l 艺性能分析研究 切向力：r = p ，s i n ( 口+ ) = p 警 径向力：t = p ，s i n ( 口+ ) = p 警 曲柄销的负荷 曲柄销受力原理如图3 6 所示： ( 3 1 9 ) f 3 2 0 ) 为了计算负荷矢量的大小和方向，取一个固定于曲柄销上的直角坐标系、y 。仍以 单位活塞面积负荷计算，则连杆作用在帅柄销卜i 的负荷或在x ，、y 。上的投影为： p ”2 七w 一2 、( 3 2 1 ) p q y2 tj 式中 ”辫z 等 由上述力学分析可知，当o = o 、且= 1 8 0 。，曲柄销承受的最大作用力在 止点附近， 即膨胀行程丌始与排气行程终了。因此本文对曲轴强度分析时，采用e 述两种计算工况。 南京理i ：人学i ：科硕十学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及r 艺性能分析研究 4s e a t 发动机曲轴性能的有限元分析 4 1 曲轴的静强度分析 4 1 1 曲拐结构受力特点分析 曲拐通常由主轴颈、曲柄臂、曲柄销等结构组成，因此，对曲拐进行动静态分析之前， 有必要对它们的受力情况、性能要求作一些简要的分析。具体如下： ( 1 ) 主轴颈 因为主轴颈短，所以只计算扭转应力，忽略弯曲应力，对安全系数的影响不大。当计 算主轴颈时，有效应力集中系数与油孔有关，油孔一般开在中间横截面上，在这个截面上 弯曲力矩为零。当主轴颈很短时，圆角处的弯曲力矩不大。试验结果表明，在弯曲和扭转 酬，润滑油孔边缘的有效应力集中系数与轴颈直径没有多大关系。 主轴颈的安全系数决不应该小于3 或4 。为了得到足够的刚度和安全的条件压力，主 轴颈选得较大，因此安全系数的绝对值较高。 ( 2 ) 曲柄销 曲柄销承受弯曲和扭转，且弯矩和转矩的最大值在时间上是不重合的。曲柄销的应力 状态山分别确定的弯曲安全系数和扭转安全系数以及总安全系数表示，由理论分析知，总 的弯曲力矩的大小及其作用的平面随曲轴的旋转而变化，应力集中发生在油孔边缘，对于 不同的曲轴结构，油孔相对曲柄中心线可设计成不同的角度，用计算出的最大弯矩和最小 弯矩计算交变循环应力的极值，并确定最危险的曲柄销油孔截面的弯曲安全系数。 曲柄销的安全系数一般取2 5 3 0 。由于曲柄销直径较小而且受弯曲应力的影响，曲柄销 n 勺最小安全系数比主轴颈小，增大曲柄销直径，旋转零件的质量随之增加，因而受到限制。 ( 3 ) 曲柄臂 曲柄臂承受交变弯曲、拉伸、压缩和扭转，安全系数决定于圆角的结构。当曲柄臂在 曲柄平面内弯曲时，圆角的有效应力集中系数与圆角半径对曲柄臂厚度的比值、曲柄销和 主轴颈直径的重叠度等有关，也与曲柄销及主轴颈内腔与其外圆直径的比值有关。曲柄臂 ( 尤其是椭圆和圆形曲柄臂) 在垂直于曲柄平面内产生的弯曲应力比曲柄所在平面内的弯 曲应力低得多，因此，仅仅为了验算爿。去确定垂直曲柄平面的曲柄臂弯曲应力。 具有圆形或椭圆形的曲柄臂，计算出的扭转安全系数是很大的，因此它对总安全系数的影 响比较小。 412 曲轴静强度分析模型 南京理i 人学丁科硕十学何论文s e a t 发动机曲轴的结构及r ：艺性能分析研究 由于复杂的工作条件，决定了曲轴必须具备足够高的弯曲疲劳强度、扭转疲劳强度和 输出功率端的静强度。对于整体式全支承的多缸机，如何比较准确地得到应力应变的大小 及其分布规律，找出薄弱环节，以指导曲轴的设计和改进，具有重要意义。 s e a t 系列曲轴结构对称，且处于超静定状态。在不考虑机体的变形、轴承的弹性下 沉、轴承的同轴度误差及车轴颈在工作中的磨损等的情况f ，为减少解算规模，消除曲轴 的静不定性，从其上切下交变弯曲和交变扭转的力和力矩的幅度都是最大的单曲拐( 靠近 功率输出端的曲拐) 作为计算模型，当作单跨梁来计算。这样，任一旋转位置作用在某一 主轴颈上的负荷只取决该轴颈卉右相邻曲拐， ：的作用力，可以认为作用于曲柄销上的力和 曲拐不平衡质量的离心力都平均传给相邻的两个主轴颈。 ( 1 ) 一况选取 根据前章分析，当活塞在做功行程= ： f = 始后( 上止点附近) 受到最大燃烧爆发压力作用， 此时，主轴颈下部支承，曲柄销上部承受爆压( 受压情形) ；在进气行程开始时( 上止点 处) 受到最大惯性力作用，此时，主轴颈上部支承，曲柄销下部承受惯性力( 受拉情形) 。 本课题在作有限元具体分析时。决定选取最高转速工况和晟大转矩工况作为计算工况，每 种工况考虑以上两种极限情形，如果曲轴能满足两种工况极限条件的要求，则说明曲轴也 就满足所有工况卜，的要求。 ( 2 ) 载荷模拟 l b 于曲柄连 l ：机构润滑较好，因此在计算时忽略机构摩擦阻力，作用在曲拐上的力主 要考虑缸内气体压力、活塞和连杆的惯性力和功率输出端的转矩。气压力、活塞和连卡t 的 惯性力均以面压力形式施加于曲柄销e ，为了模拟实际情形，根据以往较为成功的方法， 假定作用在曲柄销上的压力载荷沿周向在1 2 0 。范围按余弦规律分布，沿轴向按二次抛物 线分布( 如图4 1 所示) 。 玲，? ，| | ，j 图41 曲柄销压力分布 南京理1 人学1 科硕十学位论文s e a t 发动机 i j 轴的结构及t 艺性能分析研究 自身的惯性力由程序自动生成，均匀加到节点上；输出功率端的转矩简化为加在输出 端主轴颈端面圆周线上均匀分布的切向力。 利用3 4 4 节的相关计算公式，求解出施加在s e a t1 5 l 发动机曲拐上的载荷如表4 1 所示： 表4 1 不同况r 施加在s e a t1 5 l 发动机曲拐上的力和转矩 | ，e 况 最高转速工况最大输出转矩工况 趴 最大气体压力时最大惯性力时最大气体压力时虽大惯性力时 作用力 2 1 6 l o 3 7 n7 8 1 1 7 6n 2 9 4 6 3 1 4 n 一3 5 9 0 5 8 n ( 曲柄销) 作用转矩 1 0 2 6 9 n m1 1 7 4 2 n m ( 主轴颈端面) s e a t1 7 l 发动机曲轴载荷的加载方式相同，只不过载荷大小不同，具体数值如表4 2 所示。 表4 2 不同| = 况f 施加在s e a t1 7 l 发动机曲拐上的力午转矩 i t - 堀最高转速工况最大输出转矩工况 趴 最大气体压力时最大惯性力时最大气体压力时最大惯性力时 作用力 2 2 9 6 1 5 8 n一7 0 8 5 4 3n3 0 0 8 4 2 l n3 2 5 6 9 0 n ( 曲柄销) 作用转矩 1 0 6 9 2 n m 1 3 0 9 7 n m ( 主轴颈端面) ( 3 ) 约束处理 边界条件的施加是否切合实际情况，直接影响有限元分析结果的准确度，不同的边界 条件，使分析结果相差很大。根据曲轴的运行工况，由于轴承具有一定的弹性，本课题决 定采用弹簧单元来模拟主轴颈轴承，即将主轴颈所受的轴承支承离散为作用在支撑面每个 节点上的弹性边界元，通过弹性边界元使主轴颈在半径方向传递压缩力。当曲轴受压时， 在主轴颈下部，沿周向1 2 0 。范围内置弹性边界元，弹性模量取为和主轴承材料一个量级。 ( 4 ) 有限元删格划分 为简化网格划分t 作量，本课题利用s f ，i d e4 5 单元( 8 节点六面体单元) 对s e ar | 1 ，5 lr 南京理i ：人学i ：科硕十学何论文s e a t 发动机曲轴的结构及一i 。艺性能分析研究 升发动机曲拐进行单元划分，共生成8 7 2 5 5 个单元，手工施加9 2 4 个弹簧单元( 如图4 2 所示) 。对s e a l 1 7 升发动机曲拐自动生成为9 7 4 9 5 个实体单元和1 1 2 3 个弹簧单元( 如图 4 3 所示) 。 图4 21 5 升发动机曲拐有限元网格图 图4 31 7 升发动机曲拐有限元模型 413 计算结果及其分析 通过对所建立有限元模型的解算，求出曲拐的应力和应变分布，现剥有限元求解h 的 结果进行具体分析。 ( 1 ) 1 5 升发动机曲轴应力分析 图4 4 和图4 5 分别表示最大燃烧爆发压力和最人惯性力时两种极限情况f 曲轴的应 力分川- 云图。考虑到有限元网格划分方式、约束及边界条件施加等实际处理措施的影响， i q 南京理i ：人学1 科硕十学位论文 s e a t 发动机曲轴的结构及i ：艺性能分析研究 结合云图中同等条件下的应力分布情况，现将分析中出现的一些奇点忽略掉，基于此我们 认为应力最为集中的位置为曲柄销到曲柄臂的过渡圆角处、主轴颈到曲柄臂的过渡圆角处 及曲柄销油道口向f 沿大约4 5 。方向处等，其中曲柄销油道口向下沿大约4 5 0 方向处( 油道 口沉j l 下沿) 的应力最大( 应力在最大输出转矩工况下处于最大气体压力时获最大，为 3 0 7 6 7 m p a ：在最高转速工况下处于最大燃烧爆发压力时次之，为2 2 5 6 5 m p a ) ，曲柄销到 曲柄臂的过渡圆角下部次之，主轴颈到盐柄臂的过渡圆角下部较小。一些详细的计算特征 值见表4 3 。 最大输出工况 最高转速工况 蚓4 4 最人爆发压力时的庶力分布云图 最大输出工况最高转速工况 蚓4 5 晟人惯性力时的廊力分布云图 南京理l ：人学一群硕十学位论文s e a t 发动机曲轴的结构及t 艺性能分析研究 表4 3 不同一况r 的应力、位移分析结果 项目 油道口过渡圆角 最大位移曲柄销中间 工况 ( m p a )( m p a )( m m )( m m ) 最高转最大气体压力 2 2 5 6 51 5 3 6 6 o 0 3 8 3 o 0 3 8 3 ( 上部) 速工况最大惯性力8 0 95 3 1 0 0 2 7 9 0 0 1 7 1 ( 下部1 最大转最大气体压力 3 0 7 6 72 2 1 0 2 0 0 5 2 2 0 0 5 2 2 ( 上部1 矩工况最大惯性力3 7 22 3 8o 0 1 2 8 o 0 0 5 l ( 下部) 在实际静力计算分析中，曲轴的安全系数常取1 o 1 5 。查阅材料属性表，球墨铸铁 q t 7 0 0 - - 3 的抗拉强度 7 0 0m p a ，屈服强度o - 。，一 4 2 0m p a 。从表4 3 中的数据可以看 出，曲柄销到曲柄臂的过渡圆角处的应力值最大为2 2 1 0 2m p a ，即使考虑取最大安全系数 计算，所获得的应力值也不过为3 3 1 5 3m p a ，远较该材料的屈服极限应力值4 2 0m p a 小。 另外，从浚表中也可以看出，油道口沉孔下沿处的应力非常高，其值最大能达到3 0 7 6 7 m p a ，这又似乎表明该曲轴出现了强度不足的问题。其实不然，之所以出现这种情况，有 两点需要说明：其一，该处是油道与沉孔相连接的地方，截面尺寸变化较大，容易产生应 力集中：其二，在计算的过程中忽略了该处存在的过渡圆角，由于过渡圆角的存在，能极 大地降低该处的应力集中。基于此，因此我们认为该曲轴的静强度不仅满足原设计、实际 运行要求，而且从理论上配还有较大的余量，从而为以后的系列化发展提供了一定的理论 基础。 ( 2 ) 1 5 升发动机曲轴变形分析 图4 6 、图4 7 分别为两种极限工况下1 5 升发动机曲拐的位移分布云图。 最大转矩工况 鼗蒿转速工况 幽46 最人爆发压力时的何移分布云图 南京理i ? 人学l 。科硕十学1 _ i ) ：论文s e a t 发动机曲轴的结构及r 艺性能分析研究 最大转雉工况 最高转谴工况 圈4 7 最人惯性力时的位移分布云i 到 从解算出的静载位移分审云图4 6 、图4 7 中可以看出，在气体压力作用下，无论曲轴 是处于最大转矩输出工况还是处于最高转速工况，其最大位移均出现在曲柄销中间最上部 位；在惯性力作用下时，无论曲轴是处于最大转矩输出工况还是处于最高转速工况，其最 大位移均出现在曲柄臂上离主轴颈轴线最远的部位。这与传统的静力分析结果是相吻合 的。至于左右盐柄臂的位移不相等这一现象，是以下原因造成的：首先，在进行有限元分 析时，曲拐两侧约束和载荷的施加方式是不同的，靠近输出端的主轴颈端面有转矩，而在 另一端面则有约束，很显然其结果是不一样的；其次，尽管曲拐结构总体对称，但内部油 孔( 从远离输出端的曲柄臂上部凸台斜向下至输出端的主轴颈中心) 的存在改变了整体结 构的刚度分布而形成形变的不对称；第三，两侧曲柄臂与曲柄销之间过渡凸台厚度的不同， 对刚度分布也产生一些影响。详细的数据见表43 。 从上述分析可知，改曲轴有很大的的静强度储备系数，完全能满足该