内燃机曲轴计算机辅助设计

内燃机曲轴计算机辅助设计摘要：曲轴作为内燃机中最关键的受力零件，它的可靠性直接影响着内燃机的可靠性及寿命。曲轴在内燃机中承受着较大的不断变化的弯矩及扭矩，同时承受着长时间高速运转的磨损。因此，对曲轴材料的刚性、抗疲劳性和耐磨性有足够的要求。本论文的主要任务是确定曲轴结构型式同时计算设计出曲轴的主要结构参数，运用Pro/E三维建模软件建立曲轴零件的参数化模型，并通过有限元分析软件，结合曲轴的受力与工作情况对曲轴疲劳模块进行分析计算。最后根据曲轴模型绘制零件图，设计出符合要求的曲轴。关键词：曲轴，参数化模型，有限元分析，零件图ITheComputerAidedDesignofInternalCombustionEngineCrankshaftAbstract：Asthekeymechanicalpartsininternalcombustionenginecrankshaft,itsreliabilitydirectlyaffectsthereliabilityandlifeofinternalcombustionengine.Intheinternalcombustionenginecrankshaftbearthelargerchangingbendingmomentandtorque,andunderhighspeedforalongtime.Therefore,therigidityofthecrankshaftmaterial,fatigueresistanceandwearresistancehavehighrequirements.Themaintaskofthispaperistodeterminethecrankshaftstructuredesignandcalculatecrankshaftmainstructureparameters,usingPro/E3dmodelingsoftwaretoestablishparameterizedmodelofcrankshaftparts.Andthroughthefiniteelementanalysissoftware,combinedwiththestressofthecrankshaftandtheworkingconditionofcrankshaftfatigueanalysismodule.Accordingtothecrankshaftmodeldrawpartsdrawing,designthecrankshaftofmeetstherequirements.Keywords:Crankshaft,Aparameterizedmodel,Finiteelementanalysis,PartdrawingII目录1前言.11.1课题研究背景及意义.11.2国内外研究现状与发展趋势.22曲轴设计.52.1曲轴材料的确定.52.2曲轴结构型式及选择.52.3曲柄基本尺寸设计.62.3.1主轴颈和曲柄销.62.3.2曲柄臂与圆角.72.3.3行程、缸心距与缸径比值的确定.82.4润滑油通道设计.82.5曲轴端部结构形式.92.6本章小结.103曲轴参数化建模.113.1Pro/Engineer软件介绍.113.2曲轴三维建模.123.3曲轴参数化编辑.143.4本章小结.174曲轴有限元分析.184.1ANSYS软件概述.184.2曲轴受力分析.194.2.1沿连杆中心线方向的力FL.194.2.2法向力Fr.204.2.3扭矩T.214.3曲轴网格划分.214.4确定边界条件及施加载荷.244.5求解与结果输出.284.6曲轴强度校核.31III4.7本章小结.325曲轴零件图.335.1AutoCAD2010软件概述.335.2零件图导入.345.3零件图修正.355.4本章小结.376结论.38参考文献.39致谢.4001前言1.1课题研究背景及意义曲轴是发动机对外输出动力的核心部件，是许多运输工具的重要动力来源。曲轴的转动是内燃机的动力源，也是完整机械系统的源动力。曲轴作为内燃机最主要的机件，其具有整体形状复杂、生产工艺也相对困难、承受载荷较大且受力状态复杂等特征。作为曲轴主要运动部件，其工作情况是极其复杂且恶劣的，因此对曲轴材料、尺寸精度、热处理和表面强化等要求是相当严格的。其中任何一个环节出现了问题都会严重影响曲轴的寿命和内燃机整体的可靠性。曲轴通常由主轴颈、曲柄销、曲柄、前段和后端等组成，每个曲柄又可分为主轴颈、曲柄销和曲柄臂三部分。曲轴的作用是将活塞的持续往复运动变为曲轴绕其本身轴线的旋转运动，同时向外输出功率，用来驱动内燃机的配气机构与其他辅助装置。由于是在周期性变化的燃气作用力、往复运动和旋转运动惯性力及它们的力矩一起作用下工作的，所以曲轴承受着弯曲和扭转合成的复杂应力。曲轴设计要求有：具有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠；具有足够的刚度，使曲轴变形不致过大和避免转速工作范围内出现共振；轴颈具有良好的耐磨性，保证曲轴有足够的寿命；曲柄排列应合理，使内燃机工作均匀；材料选择适当，以充分的发挥材料强度潜力1。工业发达的国家对于曲轴研究一直走在世界的前沿，并且他们很重视曲轴的生产制造工艺，因此曲轴的整体质量水平也比较高。我国对曲轴的研究与制造也处于发展的阶段，应当积极从国外引进先进的曲轴生产制造技术和设备，这样可以提高国内曲轴生产技术水平以及产品的核心竞争力。处于这样的国际背景下，我国的曲轴生产制造技术有了较大的提高。目前，我国的曲轴整体技术水平并不是很高，所以进入国际市场的难度也比较大。曲轴的热处理技术与表面强化技术有曲轴氮化和软氮化、曲轴感应淬火、曲轴表面强化（圆角淬火强化、圆角滚压强化）等技术。曲轴常见的失效形式为：轴颈磨损、弯扭变形与断裂等。而且曲轴的弯曲疲劳破坏占到所有失效破坏形式的80%3。（1）轴颈破坏：曲轴的主轴颈和曲柄销的两个轴颈表面磨损不均匀，而且磨损1的部位还呈现出一定的规律。（2）曲轴弯扭变形：主轴颈的同轴度误差或者曲柄销的分配角误差大于规定值时，叫做曲轴弯扭变形。（3）曲轴断裂：因曲轴形状复杂、应力集中，曲轴的裂纹几乎全部发生在应力集中最严重的过渡圆角与油孔处。曲轴的材料一般为球墨铸铁、合金钢和碳素结构钢。碳素结构钢一般用在强化程度不是很高的中高速发动机；合金钢一般用于强化程度较高的中高速航空发动机和机车柴油机；而球墨铸铁则广泛应用在车用柴油机、车用汽油机和农用柴油机等1。此次设计主要在于建立曲轴的参数化模型，考虑曲轴的受力与工作情况完成其有限元分析，并对曲轴零件图进行绘制。本课题研究意义主要有两方面：（1）课题包含了CAD、CAE、材料力学、机械设计、机械可靠性等多数学科内容，是一个多学科互相交叉的综合性课题，具有比较高的理论研究意义。（2）本课题研究在实际生产中具有较强的实用性，能够完成对曲轴从Pro-e参数化建模到ANSYS有限元静力分析以及利用AutoCAD绘制零件图的整个工作过程，可应用于企业的实际生产设计和分析中，大大的缩短了曲轴的设计周期，有效的降低了研发成本。1.2国内外研究现状与发展趋势曲轴的研究可分为两种方法：分析技术与实验研究，两者都是曲轴强度设计的有效办法4。分析计算法包含曲轴疲劳强度的计算和传统算法与有限元法组成的曲轴的应力计算，实验研究法主要有电阻应变测量法、疲劳实验方法等曲轴强度的实验方法。近几十年来，随着各方面技术的不断发展和研究设计人员的坚持奋斗，到目前国内外对发动机曲轴强度的设计分析进步非常大，特别是在轴颈表面的应力计算等地方。当然，因为曲轴形状较为复杂，对于曲轴的强度的研究仍然有很大值得进一步改进的地方。（1）边界条件的处理问题。有限元分析和边界元方法在曲轴应力计算中的运用已经使计算更加的准确无误，目前传统计算使用的也越来越少。然而对于有限元分2析，边界条件确定仍然存在需要完善的一些地方。第一，曲轴工作过程中产生的形变会直接影响到轴颈表面的应力分布情况，导致后期分析过程中出现一定的误差。尽管也有一些设计人员在边界条件方面对于一些因素也做了一定的优化，然而还有待解决的问题，尤其是在多因素耦合作用方面对曲轴轴颈应力分布产生的影响。第二，对于曲轴主轴承固定点的边界确定只是将其视为对曲轴的弹性支承，并没有涉及到轴颈表面和主轴承间的空隙以及工作情况下油膜对曲轴主轴颈支承的作用。最后就是加工过程中对曲轴表面的强化方式通常会使用提高曲轴零件强度的办法，然而强化之后产生的一些复杂的残余应力在我们的设计计算当中并不会去考虑其作用效果4。（2）振动作用问题。振动作用一直以来都是曲轴强度设计计算中的主要问题。随着现代科技的不断进步，发动机也变得更加紧凑化与高速化，这个问题也显得尤为突出。到现在为止国内对于曲轴应力分析方式大多都采取的是静态计算，通常都以为曲轴横向弯曲的振动频率高些，并不导致影响略大的应力作用，所以计算中暂不考虑。而扭转振动一般也仅涉及单独的振动影响，以及施加应力后研究其对曲轴表面强度的影响。这和曲轴的工况是不吻合的，我们可以去质疑这种分析结果的真实性。想要取得曲轴动力特性对其应力分布影响的实际情况，曲轴应力分析应从静态计算改为动态计算。目前国外已经开展曲轴动态分析计算的研究，而且开发了许多应用软件，利用它们可以建立曲轴的三维模型及非线性动态运算等4。（3）疲劳强度的校核和方法。这些年以来在发动机曲轴强度计算的研究中，除了通常采用的常规疲劳强度校核计算外，断裂力学与可靠性分析的强度理论也获得了广泛的应用和进一步的发展。断裂力学是在零件包含一些很小裂纹等缺陷时分析零件承载能力与材料属性和裂纹尺寸间的关系，然后做出安全判据。可靠性分析是通过概率统计来估算零件的安全和使用寿命，计算过程中曲轴以及材料的工作应力与疲劳强度均为随机变量。因此可知这种强度理论在分析计算中更加符合曲轴的实际情况，虽然现在在曲轴强度分析中扔有一些问题需要解决，但是伴随科技的不断发展进步，还会有更加合适的处理方式出现，这样就能得到进一步改进，成为曲轴强度分析的重要方法4。曲轴有限元分析主要受到以下两方面的影响。（1）由于曲轴的形状较为复杂，用软件进行建模时工作量也比较大，效率较低。而这也会很大程度上影响曲轴的有限元分析效率，所以需要对曲轴进行参数化建模。3这样设计人员就可利用相关的机械设计经验，然后通过改变曲轴的主要参数来直接建立曲轴的三维模型，再对曲轴做有限元分析。如此就大大的提高了产品开发效率，缩短设计周期，进一步降低设计成本。（2）曲轴有限元分析的效率较低，通过比较各类分析计算方法的分析精确性差别较大。而且因为复杂的模型在导入到有限元分析软件时较为困难、划分网格及载荷的施加也相对麻烦、整个曲轴模型运算规模大等一系列问题，因此在对曲轴有限元分析前通常会对模型进行一些简化，以减少模型的分析计算工作量。并且在边界条件的处理方面也是千差万别，所以有限元分析的精确性差别也很大，需要一种计算精度更高，规模更合理的模型来分析。本论文的主要任务是确定曲轴结构型式同时计算设计出曲轴的主要结构参数，运用Pro/E三维建模软件建立曲轴零件的参数化模型，提高曲轴设计与生产效率。并通过有限元分析软件，结合曲轴的受力与工作情况对曲轴疲劳模块进行分析计算。最后根据曲轴模型绘制零件图，设计出符合要求的曲轴。在一些产品设计中，计算机能够为人们在计算、绘图等方面提供帮助。计算机辅助设计拥有高速精确的计算能力、非凡的数据处理能力，很大程度上简化并加快了设计过程、有效的缩短了产品开发周期，为工业等各领域发展带来了新的革命。42曲轴设计2.1曲轴材料的确定在合理的曲轴参数和加工工艺条件下，曲轴的材料性能决定着曲轴的质量和寿命。所以设计过程中需要根据其工作条件和用途等因素，正确选择曲轴材料。曲轴材料选取的原则有高的耐磨性、良好的机械性能、节能环保，还要保证曲轴加工过程中的便利性与低的成本。常见的曲轴材料有：合金钢、碳素钢及球墨铸铁。合金钢应用于强化程度高的中高速机车、航空发动机上，具有优异的综合机械性能，但是对缺口的敏感性很强，对热处理、机械加工要求相当严格；碳素钢应用于强化程度不太高的中高速发动机上，特点是刚度与合金钢差不多，强度低一些，但成本也低；球墨铸铁的机械性能和使用性能比其他多种铸铁都要好许多，而且经正火处理后机械性能可接近一般的中碳钢。球墨铸铁还具有成本低，高度的耐磨性，吸振能力强，缺口敏感性低，抗扭疲劳强度高等优点，目前国内发动机曲轴已广泛采用球墨铸铁。本次设计曲轴材料采用球墨铸铁。2.2曲轴结构型式及选择曲轴按支承方式可以分成全支承曲轴和非全支承曲轴。全支承曲轴是每两个气缸间都设有主轴承的曲轴；非全支承曲轴是每隔两个气缸设有一个主轴承的曲轴。因为曲轴承受的爆发压力较高，所有多数内燃机都采用全支承曲轴，仅少数采用非全支承曲轴2。按结构型式曲轴又可分为整体曲轴和组合曲轴。整体曲轴的刚性好、工作性能好，所以在设备允许的情况下，一般都应采用整体曲轴设计。大型发动机曲轴，由于受到制造设备技术的限制，经常采用组合曲轴。在某些中小发动机上，由于个别特殊的要求也可设计为组合曲轴2。根据零件的设计用途及应用广泛性，本次毕业设计选取直列四缸四冲程的全支承式整体曲轴，曲轴样式如图2.1所示。5图2.1直列四缸曲轴2.3曲柄基本尺寸设计在选定曲轴材料、结构型式等之后，接下来便要确定曲柄的基本尺寸和结构细节。缸心距为曲轴主轴颈、曲柄销以及两倍曲柄臂厚的长度之和，曲柄的各部分轴向尺寸是在曲柄长度等于缸心距的条件下来进行分配的。曲柄的半径为活塞行程的二分之一。曲柄设计要有足够的疲劳强度与刚度，轴颈表面有良好的耐磨性，并使应力分布尽量均匀、应力集中小。由柴油机设计手册可得曲轴基本尺寸如表2.1所示：表2.1直列曲轴基本尺寸比例表2dp/D0.600.80曲柄销lp/D0.350.45dj/D0.700.85主轴颈lj/D0.350.50h/D0.200.30曲柄臂b/D0.901.30圆角半径r/D0.0452.3.1主轴颈和曲柄销轴颈应当尽量短粗，这样可以提高曲轴的刚性与自振频率，缩短缸心距，从而可减小内燃机整体尺寸。然而轴颈的长度如果过短，会让轴承的整体承载能力变差。6滑动轴承的宽度应不小于0.3d（d表示轴颈）。在四冲程的柴油机中，由于中央主轴颈左右两侧相邻的曲柄经常布置在同一平面里，且都位于曲轴中心线的同一侧，因此旋转质量的离心惯性力会使中央主轴颈负载加大，为使中央主轴颈负载在许用范围内，常将中央主轴颈适当加宽一些。增大曲柄销直径一般不会显著增加曲轴系统的自振频率，是由于轴颈增大带来的自振频率提高和旋转质量增加引起的自振频率下降相抵消。同时，曲柄销与连杆大头相连接，两者尺寸大小密切相关，为使连杆拆装方便，故曲柄销直径不应过大。根据以上相关设计要求，确定主轴颈和曲柄销尺寸关系式如下：主轴颈直径：dj=0.75D（2-1）主轴颈长度：lj=0.40D（2-2）曲柄销直径：dp=0.65D（2-3）曲柄销长度：lp=0.42D（2-3）2.3.2曲柄臂与圆角曲柄臂在曲柄平面内的抗弯曲刚度和强度均较差，经常会由于受交变弯曲应力而导致断裂。因此曲柄臂是整体曲轴上极易失效的部分，所以曲柄臂应该选取合适的宽度与厚度，以使曲轴能有足够的强度和刚度。而且曲柄臂形状也应合理，这样可以使应力更加均匀。目前多数曲轴都采用的是椭圆形曲柄臂，其优点是尽可能节省了受力较小或者未受力部分，重量减小，应力集中减弱。虽然加工方法复杂，但通过模锻法或铸造法制造曲柄臂毛坯时可直接成形。确定曲柄臂尺寸如下：7曲柄臂厚：h=0.25D（2-4）曲柄臂宽：b=1.1D（2-5）曲轴的圆角半径r应当足够大，通常r/D=0.045，圆角半径如果过小会使应力分布更加不均匀。则：r=0.045D（2-6）2.3.3行程、缸心距与缸径比值的确定活塞行程和气缸直径的比值S/D是对发动机结构与性能有很大影响的参数。选择较小的S/D，能够减小发动机的宽度、高度以及重量。缩小行程S还可以增大曲轴主轴颈和曲柄销之间的重叠度，从而改善了曲轴疲劳强度以及曲轴的弯曲与扭转刚度。当S/D减小时，发动机的转速会增加，提高发动机升功率，但也增加了运动件的惯性力和发动机的噪声2。综合分析以上比值的利弊，确定活塞的行程S和气缸直径D之间的比值S/D为1。气缸中心距与气缸直径的比值，是体现发动机的长度紧凑性和重量指数的主要参数，它和发动机的强化程度、机体的刚度和气缸排列等有关。确定缸心距首先需要考虑主轴颈、曲柄销长度以及曲柄臂的厚度，让主轴承与连杆轴承可以有一定承受压力的面积，同时还要保证曲轴有足够的刚度与强度2。根据以上要求，确定气缸中心距与气缸直径的比值L/D为1.32。2.4润滑油通道设计曲轴的主轴颈和曲柄销一般都会采用压力润滑，这样的方式润滑油通常是先进入主轴承接着才到连杆轴承。润滑油进入主轴承的方式可分两种2：分路供油：常见的许多内燃机均采取此类供油方法，润滑油可通过主油路直接8送至所有主轴承。集中供油：主轴承一般采用滚动轴承时才需采用集中供油。在设计主轴颈与曲柄销上的油孔位置时，应充分考虑润滑效果和轴瓦冷却，还应使轴颈强度削弱程度尽可能的小。在不影响轴承润滑的前提下，也应当主轴颈油孔能够开在最大轴颈压力作用线的方向；而曲柄销油孔应开在压力最小的地方，这样可使连杆轴承的供油更加充足。图示2.2为实心轴颈曲轴的润滑油道布置方案。图a所示的为斜油道，其结构简单，但是当油道倾斜角在超过30时，会使曲轴的强度下降，所以油道倾斜一般不应当超过30。这样的油道通常使轴承两端面流出来的润滑油中杂质含量不同，从而造成轴颈偏磨，曲轴寿命缩短。为了进一步提高轴承的承载能力，可在轴颈钻两个相隔180的油道（图b），与其相对应的主轴瓦上也就只开半周油槽。在设计斜油道时，还应该保证油道和曲柄销圆角间的距离，因为距离过小时会导致严重的应力集中。图2.2润滑油路2.5曲轴端部结构形式曲轴的端部结构由自由端与功率输出端两部分组成。在很多发动机中，一些辅助装置的驱动齿轮及曲轴扭转减震器都安装在自由端。而飞轮组结构装于功率输出端2。曲轴的输出端一般都是借法兰并通过螺栓来安装飞轮。而为了提高曲轴扭转刚9度，在最后一道主轴承到曲轴法兰的轴段需尽量短且粗，甚至于可令直径和曲轴的法兰相同，这样套装油封也会更加的方便，端部及端部结构如图2.3、图2.4所示。图2.3曲轴端部图2.4曲轴自由端与输出端2.6本章小结通过查询柴油机设计手册等相关曲轴设计资料，了解内燃机曲轴的工作原理、设计要求。结合自身所学的基础理论知识，并充分考虑曲轴的各方面影响因素，对曲轴的材料、结构型式、主要尺寸关系等进行了确定。然后根据已经确定的条件，就可利用曲轴的各项参数为下一步进行零件的三维建模做准备。103曲轴参数化建模3.1Pro/Engineer软件介绍Pro/Engineer软件是一款CAD/CAM/CAE一体化的三维建模软件，随着现代科技的不断发展，Pro-e在当今的三维造型领域中已占有举重轻重的地位，特别是在国内的产品设计中占据着重要位置。Pro-e软件注重参数化的设计，而且它采用单一的数据库这样更加方便解决各特征的一些相关性问题。Pro-e软件的主操作窗口如图3.1所示。11图3.1Pro-e5.0界面参数化设计是Pro-e软件中很主要的一项功能，而参数又是这个功能的核心概念。在一个三维模型中，参数的形式往往是由具体尺寸体现出来的，参数化设计的主要特征是工程设计者能够通过改变模型的某些参数来达到新的设计目的，有效的提高了设计效率。而关系式是参数化中另一个不可或缺的部分，它能够体现出各个参数间相互制约的关系。Pro-e是一款基于特征的实体模型化软件，人们可以通过内部设定的各项命令来建立不同的三维模型，像圆柱、立方体及倒角等，还可以通过更改草绘图案，来改变建好的模型。这个功能使得产品设计者在建模过程中更加的方便快捷。Pro-e软件是建立在统一基层数据库上，在建模过程当中更改任意地方就能够反应在整个设计的相关环节中。这样的数据结构与工程设计完美结合，使设计更加完善，产品的质量也得到了保证，产品销路更加广阔5。3.2曲轴三维建模根据前边曲轴设计章节中的相关设计要求，暂选发动机的相关参数如表3.1下：表3.1内燃机与曲轴参数额定功率70kW12额定转速2000r/min气缸直径100mm材料密度7.3g/cm3弹性模量155000MPa泊松比0.28抗拉强度s600MPa屈服强度B370MPa由已经确定的关系式可以得出曲轴的主要尺寸为：主轴颈直径dj=75mm长度lj=40mm曲柄销直径dp=65mm长度lp=42mm曲柄臂厚h=25mm宽b=110mm曲轴圆角半径r=4.5mm曲轴建模基本步骤:（1）打开Pro-e，点击新建命令，创建实体，输入实体文件名字quzhou，取消缺省尺寸选择公制mm为单位，进行实体建模。（2）选择拉伸命令，选择基准平面进行绘制草绘图，输入主轴颈的基本尺寸绘制完成后点击确定输入主轴颈的拉伸长度，完成中央主轴颈的实体建模。如果在建模过程数值输入错误，可通过右击模型及编辑定义进行修改。（3）与中央主轴颈相连的是大曲柄臂，同样选择拉伸命令绘制曲轴曲柄臂，接着绘制曲柄销，然后绘制小曲柄臂。两个大小曲柄臂横截面图如图3.2和图3.3所示。13图3.2大曲柄臂截面图3.3小曲柄臂截面（4）绘制完一侧的曲拐（图示3.4）之后，以中央主轴颈的中心截面建立一个新的基准面，点选已经画好的两个曲拐运用镜像命令，建立出四个曲拐的模型。14图3.4两个曲拐（5）接下来同样选择拉伸命令绘制曲轴两侧的轴端结构，然后选取轴端结构的两端面打螺纹孔以连接内燃机其他配气机构等，完成之后对曲轴的所有圆角进行倒圆角。曲轴三维模型如图3.5所示。图3.5曲轴模型3.3曲轴参数化编辑利用Pro-e里的参数化设计可以对已经画好的三维模型进行参数编辑，然后就可15通过更改模型参数来达到自动建模的效果。打开已经画好的曲轴模型，点击工具里面的参数，打开参数添加对话框进行曲轴参数的添加。填入参数的名称，选择数字的类型为实数，输入曲轴模型的初始数据，参数添加完成后点击确定即可。参数对话框如图3.6所示。图3.6参数添加图中参数字母分别表示D:气缸直径DJ：主轴颈直径LJ：主轴颈长度DP:曲柄销直径LP：曲柄销长度B：曲柄臂宽度H：曲柄臂厚度S：活塞行程L：气缸缸心距参数添加完成后接下来进行尺寸关系的编辑，为使更好的编辑尺寸间的关系式，先点击信息里的转换尺寸，将曲轴模型的各个尺寸转化为序号的形式。然后点击工具里的关系，打开关系编辑的对话框，首先编辑参数和曲轴模型上的尺寸，使之对应起来，接下来输入尺寸的关系式，将第二章曲轴设计中的尺寸关系输入到对话框的编辑位置。在关系式的输入过程中尤其要注意格式，例如dj=0.75*d如果输入为dj=0.75d系统就会提示错误，关系式间的符号是不可省略的。而且由于曲轴结构复杂尺寸较多，在输入尺寸关系时需要认真校对，以免导致关系式对应关系错误，从而不能自动建立出正确的三维模型。尺寸关系编辑（如图3.7所示）完成后点击确定即可，此时可以看到参数对话框中的参数都已经被锁定，除了可输入的指定参数外其16他参数不能随意更改，它们会根据关系式中的关系自动变化。图3.7尺寸关系编辑建立新的模型时打开工具中的参数对话框，输入新的气缸直径数值（如输入120），点击确定然后再点击界面工具命令栏里的再生命令，模型就会自动建立新的模型。此时可以看到曲轴模型发生变化（如图3.8所示），打开参数对话框也可以发现里面的参数都自动变为了新的参数（如图3.9所示）。图3.8新曲轴模型17图3.9新的曲轴参数3.4本章小结通过学习Pro-e三维软件相关知识与操作，并根据曲轴设计得出的主要参数绘制曲轴的三维模型，然后再对曲轴进行尺寸的参数化编辑，建立曲轴的参数化模型。使之可以通过更改曲轴参数达到软件自动建模的效果，提高了曲轴设计的效率。184曲轴有限元分析4.1ANSYS软件概述随着现代计算机的不断发展，到目前为止许多的有限元分析软件都得到了广泛应用。ANSYS软件作为一款大型通用的有限元分析软件，它可以和许多相关的计算机辅助设计软件进行接口，从而实现数据的共享与交换。ANSYS能用来分析结构、碰撞以及电磁场等一系列问题。ANSYS的主操作窗口和隐藏的信息输出窗口如图4.1和图4.2所示。图4.1ANSYS主窗口图4.2ANSYS信息输出窗口19ANSYS有限单元法的主要思路是把问题的求解域均划分成设定好的单元，各个单元间只通过节点来连接。单元内的点的求解可以由单元节点量通过设置的函数方程式的插值进行求解。因为单元的形状并不复杂，方便由能量关系或者平衡关系来建立节点量间的关系式，这样就能够把每一个单元关系组合在一起来形成总体的代数方程组，输入确定的边界条件后我们就能对方程组进行求解分析。当然如果单元网格划分越细，计算出来的结果也就会越精确9。4.2曲轴受力分析曲柄销的受力情况如图4.3所示：图4.3曲柄销的载荷分析4.2.1沿连杆中心线方向的力FL曲柄销所受的沿连杆中心线方向的力FL是由气缸工质压力Fg沿连杆中心线的分力与活塞组件的往复惯性力Fs沿连杆中心线的分力组成8。即：()cosLg（4-201）其中，Fg为气缸工质压力，单位N；Fs为活塞组件往复惯性力，单位N；FL为曲柄销轴颈所受沿连杆中心线方向的力，单位N。气缸工质压力Fg计算方式为8：Fg=（PgP0）Ah（4-2）其中，Pg为气缸内决定压力，单位为Pa；P0为大气压力，取1.0x105Pa；Ah为活塞面积，单位为m。气缸内的工质压力Fg可由发动机示功图确定，对于已有的发动机，示工图可通过实验的方法获得；对于新设计的发动机，可根据热力学相关知识和内燃机参数（机型、冲程数、转速n、功率Pn、气缸直径D及活塞行程S等）通过计算方法绘制气缸内绝对压力Pg和气缸容积V的对应图。再由气缸容积V和活塞位移x及曲轴转角的关系推导出Pg和的关系，将Pg-V图转换为Pg-图，由公式（4-2）计算曲轴在任意转角下的工质压力Fg。活塞组件的往复惯性力Fs计算方式8：iiFsmjr（）cos2（4-3）im为简化在活塞销中点往复运动的质量，包括活塞、油环、气环、活塞销、连杆衬套及连杆小头部分等零部件的质量，单位kg；j为活塞运动的加速度，单位为m/s；r为曲柄长度，单位m；为曲轴角速度，单位rad/s。负号表示惯性力的方向和活塞加速度的方向相反。4.2.2法向力Fr曲柄销轴颈所受的法向力Fr由连杆组件简化至曲轴的离心力Fl和曲轴的自身离心力Fq组成8。Fr=Fl+Fq（4-4）其中，Fl为连杆组件简化至曲轴的离心力，单位N；Fq为曲轴的自身离心力，单位N；Fr为曲柄销轴颈所受的法向力，单位N。21连杆大头组件简化到曲轴上的离心力Fl计算方式：lmr（4-5）lm为根据静力等效原则将连杆质量、轴瓦、螺钉、保险铅丝等效到大头孔中心的质量，单位kg；r为曲柄长度，单位m；为曲轴角速度，单位rad/s。曲轴自身离心力Fq计算方式：2Fqr（4-6）m2为将曲轴质量简化到主轴颈中心的等效质量，单位为kg；r为主轴颈轴线和曲柄销轴线间的距离，单位m；为曲轴角速度，单位rad/s。由于本次设计未建连杆组件模型，离心力Fl不能够精确计算，所以做保守估算，取：Fl=Fq（4-7）将式（4-7）带入（4-4）得：Fr=2Fq（4-8）即对曲轴施加两倍的自身离心力。考虑到离心力作用，在ANSYS中输入与两倍离心力相对应的角速度，软件就可自动将离心力加载在每一个节点上。4.2.3扭矩T发动机工作的时候，由曲轴输出端输出扭矩做功。对曲轴进行受力分析可得，该扭矩作用在输出端与飞轮连接的法兰盘边缘8。由扭矩公式：P950Tn（4-9）其中，T为扭矩，单位；P为额定功率，单位kW；n为发动机转速，单位NmAr/min。224.3曲轴网格划分首先将曲轴模型做一些简化，以便减小有限元分析计算的规模，提高分析运算过程中的效率。然后将简化好的曲轴三维模型保存为IGES格式，再导入到ANSYS软件当中，接下来定义曲轴单元类型。GUI途径为（如图4.3所示）：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteStructuralMasssolid185.图4.3单元类型定义刚性梁单元类型，GUI途径为（如图4.4所示）：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteconstraintM184图4.4刚性单元设定184单元类型的K1值为RigidBeam定义曲轴的材料属性弹性模量及泊松比，GUI途径为（图4.5所示）：MainMenuMaterialpropsStructrualLinearElasticIsotropic.23图4.5材料属性定义曲轴的材料的密度，GUI途径为（图4.6所示）：MainMenuMaterialpropsMaterialmodelsStructrualDensity.图4.6材料密度由于曲轴结构较为复杂，可网格划分方式为选择自由划分，GUI途径为（如图4.7所示）：MainMenuPreprocessorMeshingMeshToolVolumesfreeMeshPickall.24图4.7曲轴网格划分4.4确定边界条件及施加载荷本文分析对象为四缸曲轴为全支承式曲轴，各个主轴颈均要受到主轴承的约束。考虑到主轴承对主轴颈的作用以及止推轴承对曲轴的作用，因此将主轴承对曲轴的支承作用视为固定支承，主轴颈的圆柱表面进行径向、轴向和竖直方向固定。即UX=0，UY=0，UZ=0。把划分好的曲轴模型在显示设置里打开面的编号并设置显示为面，如图4.8示。25图4.8面显示对曲轴主轴颈进行施加约束，GUI途径（如图4.9）为：MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOnArea.直接点击曲轴模型上的面或者输入面的编号选取约束的面，点击OK。图4.9添加约束该四缸四冲程发动机的点火顺序为1-2-4-3，如图4.10所示，根据实际设计经验，曲轴在受到最高爆发力时的应力与变形最大。因此为简便起见，可假设对于发火的气缸，在活塞位于上止点位置时曲柄销载荷达到最大值。这样对于四缸的发动机，只需要考虑三缸发火状况下活塞处于压缩行程终点。在上止点的位置时受力情况就可。图4.10各缸编号结合发动机发火顺序可推出三缸发火时各曲柄销的载荷如表4.1所示：表4.1三缸爆发时各曲柄销载荷第一缸第二缸第三缸第四缸载荷（N）8276.0511850.8543117.658576.24对曲轴曲柄销圆柱表面施加对应载荷，GUI途径（如图4.11所示）为：26MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnArea.图4.11施加面载荷离心力是以两倍加载，通过离心力公式可得，在施加离心力的时候，2Fqmr将角速度提升至进行施载，已知发动机转速为2000r/min，计算得：12（4-0/96/6adss10）定义曲轴旋转的角速度，GUI途径（如图4.12所示）为MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralInertiaAngularVelocglobal图4.12施加角速度发动机工作时，是由曲轴输出端输出扭矩作功，对曲轴进行受力分析可得，该27扭矩作用在曲轴输出端和飞轮连接的法兰盘边缘。根据条件额定功率为70kW，转速为2000r/min。又扭矩公式得：（4-7095034.2PTNmn11）ANSYS软件中不能直接对端面施加扭矩，需要通过其他方法等效施加。本文通过建立刚性节点，和曲轴输出端端面节点建立刚性梁，由于刚性梁可以传递力和力矩，可通过在节点施加扭矩传递到曲轴输出端面。更改单元类型为MPC184，创建刚性节点，其坐标为（-325,0,0），GUI途径为：MainMenuPreprocessorModelingCreateNotesinActiveCS图4.13建立节点设置显示为Multi-Plots，在节点和曲轴端面节点间建立刚性梁，GUI（如图4.14所示）途径为：MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsAutoNmberedThruNodes.28图4.14建立刚性梁对曲轴输出端面施加扭矩，扭矩的方向与曲轴工作的旋转方向相反。GUI途径为：MainMenuSolutionDefineLoadsApplyForce/MomentOnNodes.图4.15施加扭矩4.5求解与结果输出29在曲轴相关载荷全部施加完成后，即可对曲轴进行求解分析。GUI（如图4.16所示）途径为：MainMenuSolutionCurrentLs.图4.16求解曲轴求解应力云图与形变量图，GUI途径（如图4.17所示）为：MainMenuGeneralPostprocPlotResultContourPlotNodalSolu/ElementSolu.图4.17求解类型X轴方向形变：30Y轴方向形变：Z轴方向形变：31曲轴等效应力云图：32曲轴最小应力：通过应力分析可知，曲轴应力最大值位于第三曲柄销和曲柄连接过渡圆角处，其值为max=41.91MPa，min=4.04MPa。4.6曲轴强度校核1.静强度校核弯曲屈服极限：Sb=1.4S=518MPa（4-12）对称疲劳极限：-1b=0.44B=264MPa（4-13）静强度安全系数8：33（4-max5182.34.9Sb14）设计安全系数为=1.8，因此曲轴静强度满足要求。S2.疲劳强度校核疲劳强度安全系数8：（4-1NbamkSK15）其中，（4-maxin-2max+in216）式中参数如表4.2