发动机曲轴参数化设计.doc

摘要摘要 本文在AutoCAD2007的Visual lisp工作环境下 对发动机曲轴参数化设计进行二次开 发 通过对曲轴展开基于特征的参数化进行研究 探讨了其实现方法 参数化方法使用 户构造几何模型时可以集中于概念和整体设计 充分发挥创造性 提高设计效率 基于特 征的技术为设计者提供符合人们思维的设计环境 把参数化方法和基于特征的技术有机地 结合起来进行实体造型将极大地提高设计效率 用AutoLISP语言对AutoCAD进行了二次开 发 为设计者提供了方便 在基于Visual LISP平台开发上提出了一种参数化编程来解决绘制形状复杂多变的零件 的编程问题 并且利用DCL设计对话框 利用Visual LISP语言予以驱动 设计了发动机曲 轴 本设计形象 直观 快捷 既方便了用户输入和修改数据 克服单纯用AutoLISP语 言编写代码的不直观性 源代码保密性差的缺点 且不必用其它高级语言与AutoCAD进 行数据转换 使程序与AutoCAD系统协调统一 关键词 AutoCAD 二次开发 DCL Visual LISP 曲轴 参数化设计 ABSTRACT This paper discusses how to develop the design of engine crankshaft based on AutoCAD by means of Visual LISP in the environment of AutoCAD 2007 Feature based parametric is studied for parts of engine By this parametric method customers can concentrate on the conception and the whole design when they construct geometrical model exerting creativity and improving efficiency Feature based technology supplies designers with designing surroundings in accordance with thoughts of human being Feature based crankshaft increases design efficiency Auto LISP language is used to develop AutoCAD convenient supports to designers Based on Visual List Processing Language platform development put forward a kind of parametric programming to solve complex parts drawing shape of programming problem The design of crankshaft with the aid of the dialog frame designed by using Dialog Control Language and driven by Visual List Processing Language is studied in this paper This method has the advantages of visualiz8tion rapidity and convenience User can input or modify the parameters easily This method can avoid the disadvantages caused by using Auto LISP language and don t need to exchange data be tween AutoCAD and other advanced languages Key words The second development for AutoCAD Dialog Control Language Visual List Processing Language Crankshaft Parametric design 目录目录 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 1 绪论 1 1 1 背景 1 1 2 参数化的概述 1 1 3 参数化CAD概述 1 1 4 国内外的研究现状 2 1 5 AUTOCAD二次开发概述 2 1 6 本课题研究的主要内容 2 2 曲轴计算与分析 3 2 1 曲轴的工作条件和设计要求 3 2 2 曲轴的类型及特点 4 2 3 曲轴的材料 5 2 4 曲轴主要尺寸的确定和结构设计 5 2 4 1 曲柄销的直径 2D和长度2L 6 2 4 2 主轴颈的直径 1D和长度1L 6 2 4 3 曲柄的结构 6 2 4 4 平衡重 7 2 4 5 油孔的位置和尺寸 7 2 4 6 曲轴两端的结构 7 2 4 7 提高曲轴结构强度的措施 8 2 4 8 提高曲轴强度的工艺措施 8 3 软件开发语言 VISUAL LISP概述 10 3 1 VISUAL LISP特点与应用 10 3 1 1 Visual LISP语言的特点 10 3 1 2 AutoLISP语言及其特点 10 3 2 VISUAL LISP程序设计语言概述 11 3 3 对话框设计语言 DCL 11 3 4 数据文件 12 4 曲轴参数化程序设计 13 4 1 曲轴的模型分析 13 4 2 主程序的编写 13 4 2 1 绘图环境的设置 14 4 2 2 绘图坐标点的设置与计算 14 4 2 3 绘图参数值的输入与传输 15 4 2 4 尺寸标注 16 4 3 对话框及其驱动程序的设计 16 4 3 1 幻灯片的制作 16 4 3 2 制作对话框 dcl 17 4 3 4 对话框的驱动程序 18 4 4 生成应用程序 20 4 5 程序运行的结果 21 5 结论 23 谢辞 24 参考文献 25 附录A 外文翻译 原文部分 26 附录B 外文翻译 译文部分 27 附录C 曲轴程序源代码 28 附录D 对话框程序源代码 39 1 绪论 1 1 背景 近年来 国外开发的CAD软件在汽车设计行业的运用 让汽车的设计和开发进入了 一个全新的 快捷的 智能化的时代 国内汽车行业的飞速发展 也急切要求有与之相 适应的 完全适合我国国情的CAD系统 但我国在此行业起步较晚 自主开发软件的能 力较差 所以在国外已经成熟的软件的基础上 进行针对零部件 系统乃至整车的二次 开发 成为一个有实际意义的研究方向 发动机曲轴是内燃机中最重要的零件之一 其主要功用是传递与输出动力 驱动各 运动机构和附件 在汽车发动机的众多构成件中 曲轴是最重要 载荷最重 价格最贵 的零件之一 被喻为发动机的脊梁骨 正确合理的曲轴设计对发动机运行性能有着重要 的影响 但曲轴的生产主要是为主机配套 国内曲轴系列化 通用化和规范化程度很低 即使同一型号的曲轴 零件图纸的技术标准也各有差异 互不通用 国内曲轴产品设计 的混乱状况 给用户的使用选择带来了很大困难 由此可见 根据发动机的工况条件及 发展趋势 设计出一套列系列化 通用化的曲轴 以供各式发动机设计匹配时选用 是 发动机曲轴设计的未来之路 1 2 参数化的概述 参数化设计是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸 自动完成对图形中相关 部分的改动 从而实现尺寸对图形的驱动 其中进行驱动所需的几何信息和拓扑信息由 计算机自动提取 参数化设计极大地改善了图形的修改手段 提高了设计的柔性 在概 念设计 动态设计 实体造型 装配 公差分析与综合 机构仿真 优化设计等领域发 挥着越来越大的作用 体现出很高的应用价值 参数化技术是指设计对象的结构形状比较定型 可以用一组参数来约定尺寸的关系 多数与设计对象的控制尺寸有显然的对应 设计结果的修改受到尺寸驱动 所以也称为 参数化尺寸驱动 参数化设计技术以其强有力的草图设计 尺寸驱动修改图形的功能 成为初始设计 产品建模 修改系列化设计 多方案比较和动态设计的有效手段 1 3 参数化CAD概述 实现参数化绘图是CAD软件开发过程中的主要任务之一 所谓参数化绘图是指用一 组参数来定义几何图形的尺寸数值 并构造尺寸关系 然后提供给设计师进行几何造型 的一种方法 其主要思想是要用几何约束 数学方程与关系来说明产品模型的形状特征 从而设计出一批在形状或功能上具有相似性的方案 参数化设计的主要技术特点有以下4种 1 约束 用一些法则或限制条件来规定构成物体的各元素之间的关系 一般分为尺寸 约束和几何拓扑约束 尺寸约束一般指对大小 角度 直 半 径 坐标位置等可测量的数 值量进行限制 几何拓扑约束指平行 垂直 共线 相切等非数据几何关系的限制 2 尺寸驱动 指在约束的条件下修改某一尺寸参数时 系统自动检索出该尺寸参数对 应的数据结构 并找出相应的方程组计算出参数 最终驱动几何图形形状的修改 3 数据相关 指对尺寸参数的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸得以全盘更新 其优点在于 用尺寸的形状控制了几何形状 它彻底克服了自由建模的无约束状态 4 基 于特征的设计 指将某些具代表性的平面几何形状定义为特征 并将其尺寸存为可调参 数 用来形成实体 并以此为基础进行复杂的几何形体构造 从基于约束的参数化技术的实施机理来看 目前参数化的基本方法有两大类 一是 通过CAD交互环境直接创建参数化实体模型 一是编程参数化 这种方法适合于结构较 稳定 仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合 常见于在通用商品CAD软件上 进行二次开发 1 4 国内外的研究现状 目前世界上已有很多著名的通用计算机辅助设计 Computer Aided Design CAD 软件 如Pro Engineer I DEAS AutoCAD Solidworks等 这些软件为用户提供具有共性的方 法和技术 能够满足用户绝大部分的功能需要 然而 对于特定企业的特殊产品设计 用户常常需要对CAD系统提出一些特殊的功能要求 如专用图库 专用计算程序等 以 最大限度地提高设计效率和质量 为此 需要对通用CAD系统进行用户定制 即在通用 CAD系统的基础上开发附加的专用功能 该过程称为CAD系统的二次开发 目前 国内CAD技术的应用已逐步进入高级阶段 许多用户都针对本行的特点对 CAD进行二次开发 CAD二次开发技术几乎在各个行业中都有应用实例 并已有许多商 品化软件问世 目前国内已开发成功一批符合工程需要的应用软件 逐渐形成了一批具 有较高素质的研究开发队伍 国外成功的CAD技术开发企业为了加快CAD技术开发步伐 都选择了高起点的CAD 技术开发战略 即利用已有的技术成果 在此基础上二次开发自己的CAD技术 而不是 将人力物力浪费在低水平的重复开发上 这样既可以提高效率 又能保证自己的产品具 有较高的技术含量和水平 1 5 AutoCad二次开发概述 AutoCAD软件一直是CAD市场的主流产品 并以其功能强 用户界面友好 具有开 放的体系结构和完善的开发系统 能够提供各种编程工具和接口用于满足不同层次用户 的需要等优点 成为使用最为广泛的CAD软件和二次开发平台 Autodesk公司提供的四种 主要的二次开发工具 AutoLISP visual lisP ADS 0bjectARX及VBA 其中visual lisp绘 图功能尤为强大 1 6 本课题研究的主要内容 在发动机零件设计中 经常会遇到曲轴零件的设计 曲轴是发动机中必不可少的部分 也是容易损坏或产生振动 弯曲变形的部分 曲轴的设计将影响到整个发动机各个零件 的配合 传动和运转 从而影响整个发动机的工作情况 正确合理的曲轴设计对发动机 运行性能有着重要的影响 但曲轴的生产主要是为主机配套 国内曲轴系列化 通用化 和规范化程度很低 即使同一型号的曲轴 零件图纸的技术标准也各有差异 互不通用 因此本文的研究对象是以4105型高速柴油机曲轴为例进行参数化设计 在AutoCAD二 次开发的基础上 针对当前曲轴设计存在的问题 对参数化设计技术进行了研究 通过 对Visual lisp语言进行二次开发 实现了发动机关键零部件曲轴的参数化设计 并对其进 行了对话框 应用程序等设计 主要利用Visual Lisp语言来开发 通过command函数调用 AtuoCad内部的函数 实现对曲轴尺寸特征地操作 不仅要求能进行正确的参数设计 而 且希望能正确地绘制出可为工程所使用的设计图纸 设计了一个曲轴参数化绘图模块 它采用对话框的形式交互式地输入曲轴数据为人口 自动地绘制出曲轴的二维设计图 通过对曲轴参数化设计 程序实现了可视化窗口操作 因而具对于系统控制或对数 据操作 用户只须用鼠标进行点取即可 这无疑十分有利于用户的操作 提高了输入效 率 同时在Visual lisp集成环境下开发AutoLISP程序 这样就比单纯使用AutoLISP更加便 捷高效 可以得到运行效率更高 代码更加紧凑 原代码得到保护的应用程序 2 曲轴计算与分析 曲轴是发动机中最重要的机件之一 他的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机 的整体尺寸和重量 而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命 曲轴的破坏事 故可能引发发动机的零件的严重损坏 因此 曲轴的强度和刚度问题就变得更加重要 在设计曲轴时必须正确的选择曲轴的尺寸参数 结构形式 材料和工艺 以求获得最经 济最合理的效果 2 1 曲轴的工作条件和设计要求 曲轴是在不断周期性变化的气体压力 往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力 矩 扭矩和弯矩 共同作用下的 使曲轴既扭转又弯曲 产生疲劳应力状态 实践与理 论表明 对于各种曲轴 弯曲载荷具有决定性的意义 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 由于目前多缸发动机曲轴普遍采用减振措施 因 而很少发生 因此曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度 图 2 1 曲轴的弯曲疲劳破坏 图 2 2 曲轴的扭转疲劳破坏 曲轴形状复杂 应力集中想象相当严重 特别在曲柄至轴颈的圆角过渡处 润滑油 孔附近以及加工粗糙度的部分应力集中现象尤为突出 图2 1 曲轴的弯曲疲劳强度 图2 2 曲轴的扭转疲劳破坏 曲轴各轴颈在很高的比压下 以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦 这些轴承 在实际运转条件下并不能保证液体的摩擦 尤其是润滑油不洁净 轴颈的表面遭到强烈 的磨料磨损 使得曲轴的实际寿命大大降低 所以 设计曲轴的时候 要使其各摩擦表 面耐磨 各轴颈应具有足够的承压面积同时给予尽可能好的工作条件 曲轴是曲柄连杆机构中的中心环节 其刚度亦很重要 如果曲轴弯曲刚度不足 就 会大大恶化活塞 连杆 轴承等重要零件的工作条件 影响它们的工作可靠性和耐磨性 甚至使曲轴箱局部损坏 曲轴扭转刚度不足则可能在工作转速范围内产生强烈的扭转振 动 轻则一起噪音 加速曲轴上齿轮等传动件的磨损 重则使曲轴断裂 所以设计曲轴 时应该保证它有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度 不难看出 上述强度 刚度 耐磨 轻巧的要求之间是相互矛盾的 例如 为了提 高曲轴的刚度而增大主轴颈和曲柄销直径 对轴承工作而言 可以降低轴承比压 但高 转速下轴承的圆周速度变大 从而引起摩擦功率损失增加 轴承温度升高 降低的离心 负荷加大 这时 可能引起采用斜切口连杆的必要 而这种连杆刚性较差 而且制造成 本较高 正式这些内在的矛盾对动着曲轴设计的发展 而在曲轴强度矛盾的总体中 应 力集中处最大应力与该应力的作用点的材料抗力的矛盾是它的主要矛盾 影响这个主要 矛盾的主要因素有 曲轴的结构 材料和加工工艺等三方面 这三种因素各自有独立的 作用 相互又有影响 必须辩证的进行分析 在设计曲轴时 不应只注重结构尺寸的设 计一方面 2 2 曲轴的类型及特点 根据不同的基准 曲轴的分类方法有许多种 常见的类型及主要用途见表2 1曲轴的 分类和主要用途 表 2 1 曲轴的分类和主要用途 分类依据类型主要结构特点与用途 整体式曲轴各个曲拐整体制造 结构简单 重量轻 工作可 靠 应用广泛按结 构形式分 类 组合是曲轴各个曲拐分开制造 然后用紧固件连接 一般用 于大功率柴油机和二冲程发动机 锻钢曲轴弯曲疲劳强度高 适用于增压柴油机和其他高强 度发动机按工 艺材料来 分类 铸铁曲轴成形性能好 制造成本低 广泛用于非增压发动 机 特别是轿车汽油机 全支承式曲 轴 每一曲拐前后都有主轴颈支承 有利于改善曲轴 的刚性和横向移动 应用广泛按支 承形式分 类 非全支承曲 轴 曲轴总长度缩短 但刚性差 只在某些小型汽油 机上采用 2 3 曲轴的材料 曲轴的结构设计和加工工艺正确合理的条件下 主要是材料强度决定着曲轴的体积 重量和寿命 因此 必须根据内燃机的用途及强化程度 正确地选用曲轴材料 在保证 曲轴有足够强度的前提下 尽可能采用一般材料 以铸代钢锻 以铁代钢 作为曲轴的 材料 除了应具有优良的机械性能以外 还要求有高度的耐磨性 耐疲劳性和冲击韧性 同时也要使曲轴的加工容易和造价低廉 钢制曲轴除极少数应用铸钢以外 绝大多数采用锻造 锻造曲轴的材料具有碳素钢 和合金钢 另外 由于曲轴锻造设备十分庞大 而自由锻又大大浪费材料和加工工时 所以长期以来人们一直想用铸造曲轴来代替锻造曲轴 高强度的球墨铸铁的出现为铸造 曲轴的广泛采用提供了前提 其就机械性能和使用性能而言 比其它多种铸铁都要好 通过加入合金元素 热处理及表面强化等措施 球铁性能的提高也比其它的铸铁曲轴要 大的多 2 4 曲轴主要尺寸的确定和结构设计 在设计汽车之类的发动机曲轴时 它的基本尺寸大多根据结构布置上的考虑确定 再由强度校核修正 应为曲轴与活塞连杆组件和机体有密切的关系 曲轴的设计不能孤 立地进行 各部分尺寸多以气缸直径的相对值表示 而气缸直径又是限制曲柄销直径的 重要因素 曲轴的长度方向的尺寸基本上决定于气缸中心距 如果这一尺寸已定的话 0L 那在曲轴设计时就只是在曲轴各组成部分之间合理分配长度而已 当然如果总体设计给 出的气缸中心距太小 不能满足曲轴的设计要求时 则应要求总体考虑调整 但对于双 列式发动机 曲轴设计业可能对发动机纵向尺寸产生很大影响 因为在中小型高速内燃 机领域 除了最小型的摩托车发动机一类外 绝大多数均用整体式曲轴 所以下面部分 是关于整体曲轴的设计 图 2 3 曲轴的主要尺寸 b 曲柄臂计算截面的宽度 h 曲柄臂计算截面的厚度 d 和所计算的圆角相连接轴颈的外径 dl 和所计算的圆角相连接轴颈的内径 d2 减重孔缩口部分直径 e 减重孔偏心距 轴颈重叠度 0 5 dl十d2 一R 1 与所计算圆角相连接的曲柄臂中减重孔边缘至轴颈的距离 R 圆角曲率半径 2 4 1 曲柄销的直径 2D 和长度 2L 在考虑曲柄轴颈的粗细时 首先是确定曲柄销的直径 如图2 3所示 在现在发2D 动机设计中 一般趋向于采用较大的值 以降低曲柄销比压 提高连杆轴承工作的可2D 靠性 提高曲轴的刚度 但是 曲柄销加粗伴随着连杆大头的增大 使不平衡旋转质量 的离心力 对曲轴及轴承的工作带来不利 因为随着曲柄销直径增大带来的轴系自振频 率增加 会被旋转质量增加一起的自振频率下降所抵消 可能增加扭转振动的危害 随 着曲柄销直径增大的也会增加轴承摩擦功率损失 导致轴承温度升高 增加润滑油的热 负荷 这种情况对于高速车用汽油机尤其不利 所以汽油机的比值 D比柴油机小 2D 曲柄销的长度是在选定的基础上考虑的 从增加曲轴的刚性和保证轴承的工作2L2D 能力出发 应使控制在一定范围之内 同时注意曲拐各部分尺寸协调 在薄油膜的条2L 件下 轴承的长径比 0 4左右有最大的泵载能力 如果过长 则流过轴承的机2L2D2L 油流量减少 冷却差 轴承温度升高 使润滑油粘度下降 轴承的承载能力反而降低 同时 轴承过长对曲轴变形的适应能力差 容易产生棱缘负荷 总之 轴承负荷越大 油膜厚度越小 就越希望采用相对较窄的轴承 为提高曲轴的刚度 也有下降的趋2L2D 势 尤其是球墨铸铁 为了尽可能加强曲柄 应取得较小 2L2D 2 4 2 主轴颈的直径 1D和长度1L 如果从曲轴沿全长度具有刚度要求出发 可以认为主轴颈与曲柄销一样粗就行 从 承负荷出发 则主轴颈可以比曲柄销更细些 因为主轴承最大负荷小于连杆轴承 但是 为了最大限度地加强曲轴的刚度 加粗主轴颈还有很有好处的 当然 主轴颈过粗 1D 也会因轴承圆周素的过大 使摩擦损失曾加 轴承工作温度升高 因此从曲轴各部分尺 寸协调的观点 建议取 1 05mm到1 25mm曲轴越长 从避免扭振损坏的角度 主轴颈1D 应越粗 主轴颈的长度一般比曲柄销的长度短 因为主轴承的负荷比连杆轴承轻 取短的1L 主轴颈可满足增强刚性及保证良好润滑的要求 同时由于轴承宽度小 对曲轴变形适应 能力强 一致可以采用对棱缘负荷敏感的铜铝轴瓦 但主轴颈过短 会使轴承负荷能力 变坏 滑动轴承最小宽度不能小于0 3倍轴颈 否则由于油压下降 将损坏油膜承载能力 2 4 3 曲柄的结构 曲柄应选择适当的厚度 宽度 以使曲轴有足够的刚度和强度 曲柄形状应合理 以改善应力的分布 在确定曲柄的尺寸时 应该考虑到曲柄往往是整体式曲轴中的最薄 弱的环节 如果在曲轴的设计中注意到了防止扭振 那么曲轴经常遇到的破坏形式便是 沿曲柄的弯曲疲劳破坏 疲劳裂纹往往起源于高度应力集中的过渡圆角处 曲柄在曲拐 平面内的抗弯能力以其矩形断面的抗弯断面数来衡量 W W 2 bh b 式中 b 曲柄的宽度 h 曲柄的厚度 显然 为了提高曲柄的抗弯能力 增加曲柄的厚度h要比增加曲柄的宽度b要好的多 不过 在缸心距一定的条件下 增加h要以缩短轴颈长度为代价 可见h的增加受到限0L 制 现代高速内燃机曲轴的曲柄形状大多采用椭圆形或圆形 试验证明 椭圆形曲柄具 有最好的弯曲和扭转刚度 其优点是尽量去掉了受力小或不受力的部分 其重量减轻 应力分布均匀 为了能最大限度地减轻曲轴的重量 并减小曲柄相对于主轴颈中心的不平衡旋转重 量 曲柄上一般都将肩部多余的金属削去 这对曲柄的强度无多大影响 但是对于具有 空心曲柄销的曲轴 肩部削去的金属不宜过多 以免在钻孔或铸孔处形成锐边 产生很 高的应力集中而出现裂纹 2 4 4 平衡重 平衡重的作用是平衡旋转惯性力及其力矩 转移往复惯性力及其力矩 减小主轴承 负荷 设计平衡重时 应尽可能使平衡重的重心远离曲轴旋转中心 即用较轻的重量达 到较好的效果 以便尽可能减轻曲轴重量 平衡重的径向尺寸和厚度应以不碰活塞裙底 和连杆大头能通过为限度 锻造曲轴的平衡重一般与曲轴铸成一体 可便加工较简单 并且工作可靠 锻造曲 轴由于结构或者锻造的设备有限 平衡重与曲轴分开制造 因此 对于连接的可靠性要 求较高 以防紧固件断裂造成严重后果 2 4 5 油孔的位置和尺寸 为保证曲轴轴承工作可靠 对它们必需充分的润滑 一般采用油压为2 6巴的压力润 滑 润滑油供应的方式与曲轴结构有关 曲轴中油道的尺寸和布置直接影响它的强度和 刚度 同时也影响轴承工作的可靠性 将润滑油输送到曲轴油道中供油方法有两种 一是集中供油 另一种是分路供油 中 高速内燃机大部分采用第二种方法 润滑油一般从机体上的主油道通过主轴承的上轴瓦引入 因为上轴瓦仅承受惯性力 的作用 比下轴瓦受力要低些 油孔位置应由曲轴的强度 轴承负载轴心轨迹以及加工 工艺等方面综合考虑决定 主轴颈上的油孔入口应保证向曲柄销供油足够充分 曲柄销 上油孔的出口应设在负荷较低区 用以提高向曲柄销的供油能力 曲柄销油孔多数选择 在曲拐平面运转前方 45 90 的范围内 曲轴的扭转疲劳破坏大多数是从应力集中 的油孔边缘或过渡圆角处开始 同时 应尽量减少油孔处的应力集中 油孔边缘的过渡 圆角半径取得较大并进行抛光 2 4 6 曲轴两端的结构 曲轴上带动辅助系统的驱动齿轮和皮带轮一般装在曲轴的前端 因为结构简单 维 修方便 如果正推轴承在后端 传动齿轮装在前端 用的又是斜齿 这样当轴因受离合 器的作用力 斜齿的轴向力和热膨胀力而产生轴向位移时 将影响配气和供油定时 从 这个观点看 传动齿轮应装在后端较为合适 从曲轴扭转振动来看 前端的振幅较大 这对装置传动机构不利 因此 多缸发动机由于曲轴较长 往往把传动齿轮装在曲轴后 端 消除扭转振动的减震器无疑应装在曲轴前端 因这里的振幅最大 曲轴后端设有法 兰或者加粗的轴颈 飞轮与后端用螺栓和定位销连接 定位销用来保证重装飞轮时保持 飞轮与曲轴的装配位置 故定位销的布置时不对称的或只是一个 2 4 7 提高曲轴结构强度的措施 在载荷不变的情况下 要降低最大弯曲应力值 提高曲轴的弯曲强度就应设法降低 轴颈圆角处的应力集中效应 适当减小单拐中间部分的弯曲刚度 使应力分布较为均匀 即用结构措施使弯曲形状系数能最大限度地下降 1 加大轴颈重叠度 轴颈重叠度就是主轴颈与曲柄销重合的程度 用A表示 12 2 DD r 式中 r 曲柄半径 S 活塞行程 采用短行程是增加重叠度的有效办法 它比通过加大主轴颈来增加重叠度的作用大 为了使重叠度A成为无量纲参数 以便对不同发动机进行比较 引用轴颈重叠度系数 1 2 A S 12 DD S 2 加大过渡圆角 过渡圆角的尺寸 形状 材料组织 表面加工质量和光洁度对曲轴应力的影响十分 明显 减小圆角部位的应力集中效应 必须增大圆角半径 但随R的增大 轴颈有效承压 长度缩短 为解决这一矛盾 设计了变曲率过短曲线的方案 或者用几段互相相切的圆 弧近似代替 一般R D 0 05 0 07 当R 0 07D时 随R的增加 是应力集中减少已不明显 出于工 艺的考虑 在任何情况下R的绝对值不应小于2mm 3 采用空心轴颈 若以提高曲轴弯曲强度为主要目标 采用主轴颈为空心的结构就行了 若同时减轻 曲轴的重量和减小曲轴销的离心力 从而降低主轴承负荷 则宜采用全空心结构 且将 曲柄销内孔向外侧偏离 4 卸载槽 所谓卸载槽 就是在曲柄销下方或主轴颈上方曲柄内挖一凹槽 一般称前者为曲柄 销卸载槽 后者为主轴颈卸载槽 卸载槽可使曲柄销圆角处最大应力下降 但并不改变 应力曲线的分布形状仍是对称面中心点最大 两侧逐步减小 2 4 8 提高曲轴强度的工艺措施 工艺措施就是采用局部强化的方法来充分发挥材料的强度的潜力 解决载荷与抗力 这一主要矛盾 以使曲轴趋向等强度 它提供了在曲轴结构不变的条件下 强化了发动 机的可能性 1 圆角滚压强化 曲轴圆角滚压能提高疲劳强度的原因 在于金属表层在滚轮机械力作用下应力超过 材料屈服极限时 产生塑性变形 发生冷作硬化 硬度提高 金属表层知道某一深度出 现残余压缩应力 在深处则产生低值的补偿拉应力 去除滚轮机械力后 表层塑性变形 略有恢复 然后取得稳定 压缩应力由于永久变形的存在 便残留下来 表面的残余压 缩应力 抵消了部分拉伸应力 使零件疲劳强度大大提高 因为疲劳破坏通常是由拉伸 应力反复作用的结果 并始于金属表面 所以滚压强化实质上是一个预应力强化方法 2 轴颈和圆角表面同时进行淬火 为了提高曲轴轴颈表面的耐磨性 一般都用高周波电流感应加热的方法进行表面淬 火 它系用热处理的方法使金属发生组织相变 发生体积膨胀而产生残余应力 硬度提 高 从而使轴颈耐磨性提高 为了改善轴颈耐磨性而采取的表面淬火措施 对疲劳强度 起了反作用 因为它加强了本来就比较强的部分 消弱了本来就比较弱的部分 为此 采用专门的工艺措施 把圆角部分也一起淬硬 这样不仅提高了曲轴轴颈的耐磨性 而 且由于圆角淬火产生的残余压应力可使曲轴疲劳强度提高30 到50 所以粗磨后进行感 应淬火 用精磨来消除变形 3 喷丸强化 它与滚压强化方法一样 亦属于利用冷作变形 在金属表面上留下压应力 而且使 其表层硬度提高 从而提高曲轴疲劳强度的方法 喷丸比滚压优越的地方是使曲轴整个 表面都能得到强化 甚至包括未加工的高应力区 同时适用于大批生产 如果轴颈摩擦 表面不需要喷丸 则可用覆盖物保护 4 氮化处理 氮化处理是一种化学热处理强化金属表面的方法 淡化处理后 由于氮的扩散作用 在曲轴表面形成一层有氮化铁及碳化铁组成的化合层 它有极高的耐磨性 并且抗咬合 耐磨蚀 化合层内部为氮的扩散层 由于氮不断内部扩散 使金属体积增大 因而产生 挤压应力 采用这种氮化处理方法均可使曲轴疲劳强度增加 3 软件开发语言 Visual LISP概述 考虑到 AutoCAD用户使用方便 在程序设计中 用可视化语言Visual lisp开发而成 图形输出部分采用在用户中有较大影响的AutoCAD作为二次开发的平台 在对话框的操 作界面中实现了简洁明快 操作方便 3 1 Visual LISP特点与应用 Visual LISP是Autolisp的发展 是一种可视化的LISP编程开发环境 是AutoILSP语言 的扩展和延伸 可以通过ActiveXAutomation接口与对象交互 3 1 1 Visual LISP语言的特点 学习AutoLisP是非常容易的 对初学者而言 即使没有学习过任何的程序语言 都能 很快上手 写出精彩漂亮的AutoLIsP程序 1 语法简单 不用特殊的变量定义 非常富有弹性 比起其他的程序语言 它的语法可说是非常 简单而又有其独特的风格 2 功能函数强大 除一般性的功能函数外 又拥有为数不少控制配合AutoCAD的特殊函数 再加上 AutoLISP RJ直接调用执行所有AutoCAD的命令 以及掌握运用所亩的AutoCAD系统变量 功能之强 3 撰写环境不挑剔 只要是一般的窗门文本编辑软件都适用 例如WORDPAD EDIT Visualisp 4 直译式程序 不用再作编译 即写即测 即测即用 马上可以在AulocAD中响应效果 3 1 2 AutoLISP语言及其特点 LISP List Processing Language 是人工智能领域中广泛采用的一种程序设计语言 主 要用于人工智能 机器人 专家系统 博奕 定理证明等领域 LISP也被称为符号式语 言 因为它处理的对象是符号表达式 LISP语言的程序和数据都以符号表达式的形式来 表示 即一个LISP程序可以把另一个LISP程序作为它的数据来处理 AutoLISP是为扩展 和自定义AutoCAD功能而设计的一种LISP编程语言 它嵌入在AutoCAD的内部 是LISP和 AutoCAD有机结合的产物 AutoLISP采用了和LISP最相近的语法和习惯约定 具有CommonLISP的特性 但又针 对AutoCAD增加了许多功能 例如 可以把AutoLISP程序和AutoCAD的绘图命令透明地 结合起来 使设计和绘图完全溶为一体 还可以实现对AutoCAD当前图形数据库的直接 访问 修改 为实现对屏幕图形的实时修改 交互设计 参数化设计以及在绘图领域中 应用人工智能提供了方便 概括地说 AutoLISP综合了人工智能语言LISP的特性和 AutoCAD强大的图形编辑功能的特点 可谓是一种人工智能绘图语言 AutoCAD2000以前的AutoLISP属于解释执行性的语言 在AutoCAD2000及其以后的 版本中推出了VisualLISP 既兼容以前的AutoLISP程序 又可以经编译生成执行程序 既 做到了源程序代码的保密 又加快了程序的运行速度 总的来看 AutoLISP具有如下特 点 1 它是一个嵌入式语言 它不是运行在操作系统下 而是运行于AutoCAD的环境下 或者说 它嵌入在AutoCAD之中 2 采用了LISP语言的语法 3 吸收了LISP语言的主要语句 或称函数 具有LISP语言的语法结构 4 加入了与图形处理有关的语句 5 可直接调用几乎全部的AutoCAD命令 不难看出 AutoLISP语言既具有一般高级语言的基本结构和功能 又具有一般高级 语言所没有的强大的图形处理能力 因此 AutoLISP程序既可完成通常的科学计算和数 据处理 又能直接调用AutoCAD的命令 这两者的有机结合 使之成为专业CAD系统的 强有力的开发工具 3 2 Visual LISP程序设计语言概述 Visual LISP是为加速AutoLISP程序开发而设计的软件工具 它提供了一个完整的集成 开发环境 包括编译器 调试器和其他工具 它可以显著地提高自定义AutoCAD的效率 Visual LISP提供的主要工具有 文本编辑器 格式编排器 语法检查器 源代码调试器 检验和监视工具 文件编译器 工程管理系统 上下文相关帮助与自动匹配功能和智能 化控制台等 在Visual LISP集成环境下开发AutoLISP程序 不再象以前那样用其他系统的文本编辑 程序编写代码 调试程序需要用户自己决定在程序的什么位置加入打印语句 以便查看 这些变量的内容 要想查看变量的内容还必须在AutoCAD中加载并运行源程序代码 如 果没有足够的信息来诊断错误 就不得不返回文本编辑程序并再次修改代码 以加入更多 的调试点 在程序运行正确后 还必须将加入的调试代码删除或注释掉 在Visual LISP集 成环境下可以便捷 高效地开发AutoLISP程序 可以得到运行效率更高 代码更加紧凑 源代码受到保护的应用程序 VLISP是新一代AutoLISP语言 它对AutoLISP语言进行了扩 展 Visual LISP的用户界面良好 用过Microsoft软件的用户只需很短的时间即可掌握它 3 3 对话框设计语言 DCL 为了使所开发的程序成为商品 让不懂编程的用户方便地使用 必须使用对话框和 菜单与用户交流 而对话框适合与客户友好地交流数据 设计对话框成为程序开发必不 可少的工作 单纯的AutoLISP程序 都是使用文字操作模式 用户在载入AutoLISP程序之后 只 能在命令行窗口根据系统提供的提示语句输入数据 与系统进行交流 每次只有一句提 示语句 用户也只能一次输入一点信息 有关AutoLISP文件的后续操作 应用流程和目 前可用的表达式名称 就全凭用户的记忆 如果一时想不起来 只能中断交流 待查找 到了重新开始 这种交流模式效率不高 生硬死板 意识到了这些问题 为了与客户能 友好得交流 本文开发的程序使用了对话框 它是应用DCL dialogue control language 语言编制 这一语言是AutoLISP自己的对话框设计语言 DCL语法 结合了AutoLISP与DCL两种语法的功能 可以让使用者半自动地架构出 图形模式 的 对话框使用界而 这被称为可编程对话框 PDB ProgrammableDialogue Boxes 的功能 通 过DCL语法开发而成的 对话柜 输入界面 可让使用者以 点选 或是 填表 的方 式输入数据 并执行AutoLISP程序 而不限于由指令提示区执行输入数据的动作 3 4 数据文件 AutoLISP的语言和其它高级语言一样具有文件处理功能 即提供了文件操作函数 一般来讲 文件是建立在外部介质上的数据的集合 文件的分类方法很多 按其存储的 的外部介质 可以分为磁盘文件 磁带文件等 按其存入的数据介质 可以分为源程序 文件和数据文件 按文件的组织形式 可以分为顺序存取文件 随机存取文件等 在 AutoLISP语言中 程序和数据二者都具有相同的结构 所以一般来说程序文件和数据文 件二者无严格区别 AutoLISP提供的文件操作函数能处理数据文件 也能处理程序文件 另外AuotLISP只支持ASCII码的顺序文件 AutoLISP提供了一个Load函数 它可以将程序文件装入内存 并对其求值 应此 可以说Load函数是一个特殊的文件操作函数 AutoLISP这一语言提供了相当的文件操作 函数 这些函数不但能存取一般的数据文件 而且 还可以处理程序文件 数据处理是开发建筑CAD系统的重要问题 在编制设计程序和绘图时 有大量数据 需要处理 这些数据的存储 检索要占用大量的内存空间 为此 常将这些数据存放在 数据文件中 需要时再读入 利用文件处理函数可以实现AutoCAD与其它高级语言 如 BASIC FORTRAN C语言等 的数据传输 即可实现AutoCAD与其它高级语言的联接 本文正是应用AutoCAD的这一功能 实现前 后处理程序 内力优化设计程序之间的数 据传输 4 曲轴参数化程序设计 4 1 曲轴的模型分析 对象模型体现对象之间的层层分解 组装原则根据曲轴结构本身层次关系和部件的 拓扑特征 以及结构输入所需元素 根据曲轴的结构 将其分为曲柄 平衡重 曲柄臂 曲轴左端 曲轴右端 因此可以先设计一个曲拐 然后在将其进行旋转或者镜像来实现 曲轴的设计 单位曲拐包括一个曲柄销 左右两个曲柄 左右两个主轴颈 建立曲轴结 构模型如图4 1 图 4 1 曲轴模型分析 4 2 主程序的编写 在进行参数化绘图程序设计时 图形参数的值可通过两种途径给定 1 由设计结果直 接传入 2 通过人机交互式输入 通过以4105型柴油机曲轴为例来进行的参数化设计 根 据上文的结构形式 对曲轴进行尺寸参数化 查文献 1 表5 1 国产典型汽车 拖拉机 农用内燃机曲轴的结构参数得曲轴4105型的结构参数如下 发动机气缸直径D 105 发动机活塞行程S D 1 14 曲柄销直径D2 D 0 67 偏心E D2 0 04 曲柄销长度L2 D 0 42 主轴颈直径D1 D 0 76 主轴颈长度L1 D 0 40 曲柄的宽度B D 1 14 曲柄的厚度H D 0 26 其中气缸直径D功过人机交互方式输入 其他的参数根据输入结果与其之间的关系来 得出相应的尺寸 4 2 1 绘图环境的设置 编程作图和交互作图一样 也需要设置作图的环境 例如图纸的范围 绘图的单位 目标的捕捉类型 图层 颜色 线型 线宽 字样等 如果缺少对作图环境的设置 就 只能利用加载程序时其内部提供的默认环境 设置一个合适的作图环境不仅可以提高作 图的精度和效率 又是还会影响到所绘制的图纸是否满足生产需求 在程序实现设置作图环境的功能可以通过command函数调用相关的命令 或者通过 setvar函数改变相应系统变量的当前值或当前状态 1 设置目标捕捉类型 交互操作时 目标捕捉类型的选项是字符串 它以编码的形式记录在系统变量 osmode内 通过查看AutoCAD帮助文件 获取osmode代码的具体含义如表5 1所示 表 4 1 osmode 代码含义 代码代码含义 0None 不捕捉任何类型 1Endpoint 线段和圆弧的端点 2Midpoint 线段和圆弧的中点 4Center 圆和圆弧的圆心 例如 通过command函数设置目标捕捉类型 command osnap none 不捕捉任何类型 通过setvar函数设置目标捕捉的类型 setvar osmode 0 不捕捉任何类型 通过上述两种方式都可实现不捕捉任何类型 2 设置图层 颜色 线型 创建图层 通过command函数创建一个当前图层 command layer make zhongxian color 1 zhongxin ltype center zhongxin lweight 0 2 zhongxin 设置图形对象的颜色 command函数设置新图性颜色 command color 3 或通过setvar函数设置其颜色 setvar cecolor 2 设置图形对象的线型 通过command函数设置线型 command linetype s center 或者通过setvar设置 setvar celtype dashed 4 2 2 绘图坐标点的设置与计算 在编制绘图程序时 图形绘制 尺寸标注及工程标注都需要设置和计算坐标点 坐 标点的设置与计算在绘图程序中占有相当大得比重 尽量减少坐标点得设置 将会大大 缩短绘图程序 1 绘图基点设置 绘图基点坐标的确定是很重要的 因为它关系到所绘制的图形在图框中的总体布局 在考虑确定绘图坐标时 既要照顾视图的布局是否合理 也要照顾尺寸标注的布置是否 得当 根据曲轴的形状 见图4 2 绘图基点的选择 选取k0为基点 先绘出l1与l2之间 的部分 再以k0为基点旋转得出l3与l2之间的部分 最后以l2为对称轴镜像出l3与l4部分 因此曲轴的主题部分即可绘出 但是在进行镜像或者旋转命令时对对象的选择需要选择 集的操作 常用的选择集函数是ssget命令 表达式为 ssget mode pt1 pt2 pt list filter list mode 参数是一个字符串 可指定图元选择形式以供操作 如 W WP C CP L P I 或 F 等 这也就是 AutoCAD 中的 Window WPolygon Crossing Last Previou Implied与 Fence 等图元选择模式 具体 实例如下表4 2 选择集示例所示 表 4 2 选择集示例 范 例说 明 ssget P 选择您最近所选取的图形 ssget L 选择您最后加入数据库内的图元 ssget p 选择经过 2 2 这点的图元 ssget W 0 0 5 5 选择在 0 0 和 5 5 这个窗口 内的图元 ssget w p1 p2 选择在0 0和5 5这个视窗内的图素 ssget C p1 p2 选择凡是接触或在0 0和1 1这个窗口内的 图元 图 4 2 绘图基点的选择 2 绘图坐标点的计算 本程序绘图坐标点主要采用的是相对坐标点的计算 一般是从基点开始 根据前面 的已知点的坐标计算未知点的坐标 即计算相对坐标 计算点的相对坐标本程序采用了 以下的方法 主要是利用polar函数计算相对点坐标 例如 其表达式如下 p1 polar p0 alf 0 5 pi 0 5 D1 p2 polar p0 alf 0 5 pi 0 5 D1 p3 polar p1 alf 0 5 L1 p4 polar p2 alf 0 5 L1 显然 用polar函数计算比较简单明了 如求p1的坐标时 alf 0 5 pi 表示与 p0的角度 0 5 D1 表示距离p0的距离 从而求出p1的坐标 4 2 3 绘图参数值的输入与传输 用AutoLISP编制的绘图程序主要是变参图形绘图程序 变参图形绘图程序可绘制一 系列尺寸不同的图形 但在利用该程序绘图时 必须输入绘图参数值 即给绘图参数赋 值 因此 在绘图程序中应包括绘图参数值的输入与传输程序 绘图参数值必须采用适 当的方式进行传输 以便供给绘图 标注尺寸数值和填写技术参数表等的使用 主要是采用交互输入函数 getangle 点 提示信息 该函数暂停以等待用户输入角度 可以输入角度值或者输 入点1和点2 如 setq alf getangle p0 n角度 getpoint 点 提示信息 等待用户输入一个点 然后返回该点 用户既可以用 光标拾取 也可以在命令行以坐标形式输入 如 setq p0 getpoint n输入曲轴的定位点 getdist 点 提示信息 以交互的方式等待用户输入一个距离 可以输入一个数值 也可以输入两个点来指定距离 如 setq D getdist p0 n输入发动机气缸直径 4 2 4 尺寸标注 在AutoCAD中提供了很多尺寸变量 这些尺寸变量有其提供的默