武汉理工大学 周兆华 本科毕业论文正文

1、武汉理工大学毕业设计（论文）_武汉理工大学毕业设计（论文）基于ansys的东风康明斯ISDe245发动机曲轴设计及计算分析 学院（系）： 汽车工程学院 专业班级： 热动0903班 学生姓名： 周兆华 指导老师： 段海涛 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复

2、印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日武汉理工大学本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：周兆华 专业班级：热动0903班指导教师：段海涛 工作单位：汽车工程学院车用动系设计（论文）题目：基于ansys的东风康明斯ISDe245发动机曲轴设计及计算分析设计（论文）主要内容：1、东风康明斯ISDe245发动机曲柄连杆机构运动

3、学、动力学分析及计算；2、东风康明斯ISDe245发动机曲轴的工作条件与设计要求；3、东风康明斯ISDe245发动机曲轴的结构类型与材料；4、东风康明斯ISDe245发动机曲轴结构设计（轴颈、曲柄臂、平衡重、油道）；5、东风康明斯ISDe245发动机曲轴疲劳强度分析与校核；6、利用ansys进行东风康明斯ISDe245发动机曲轴的计算分析（包括划分有限元网格、确定载荷工况、设定边界条件、变形分析、应力分析、模态分析等）。要求完成的主要任务：1、毕业设计说明书字数不少于10000字；2、制图量不少于2张0号图纸（图纸要求包含装配图和零件图），其中手绘图纸量折合不得少于1张1号图纸，手绘图纸不得与

4、机绘图纸重复；3、毕业设计文献检索不少于10篇，其中2篇英文（须英汉对照），文献检索摘要每篇至少200字；4、开题报告不少于1400字；5、翻译与课题相关的外文资料约20000个印刷字符，译成中文不少于5000字；6、毕业设计周记每周记载不少于800字。必读参考资料：1、袁兆成内燃机设计北京：机械工业出版社，20122、雷 艳现代内燃机设计技术北京：北京工业大学出版社，20113、杨连生内燃机设计北京：中国农业机械出版社，1981指导教师签名： 系主任签名： 院长签名（章）：武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析） 曲轴是内燃机中最主要的运动部件之一

5、，其功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，其承受弯曲和扭转交变载荷。因此，曲轴应该有足够的抗弯曲和扭转的疲劳强度和刚度。随着柴油机向高速化、紧凑化方向发展,柴油机主要零部件的载荷和工作条件也更加苛刻。从大量使用着的柴油机主要零部件的疲劳破损情况看,出现最多的有两种形式,一种是以连杆为例的压缩疲劳损坏,另一种是以曲轴为例的发生于曲轴过渡圆角处的拉伸疲劳断裂。因此,为了提高整机性能,工作可靠性,并且考虑到操作人员的安全问题,我们必须在原有的曲轴连杆机构设计基础上对其进行优化改进。

6、 内燃机的可靠性和寿命在很大程度上取决于曲轴性能的优劣性。曲轴在结构上基本上由若干个单元曲拐构成，即一个曲柄销，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐。国内对于柴油机曲轴强度方面的研究起步较晚，曲轴的设计主要是依靠经验设计,即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料,借以初步确定曲轴的基本尺寸,然后进行结构细节的设计、强度复核及曲轴样品试验,最后确定曲轴的结构。减小曲轴在工作状态下过渡圆角处的应力集中则是设计曲轴时的一个难点。一般确定曲轴强度的方法有两种:一是进行曲轴疲劳试验,二是进行模拟分析计算。但由于试验条件的不一致和试验件数量少,导致研究结果往往存在很大差异,无法建立比较系统的计算

7、方法,因此曲轴强度计算主要还是依据国外的相关资料和经典计算公式。国外已经开展了曲轴动态应力计算的研究,并开发了相应的商业软件，有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。对于具体的曲轴设计,依据原有的设计方法是否有效,或者是否能使曲轴达到最佳状态，这些必须用试验来验证。目前,根据名义应力和应力集中系数计算曲轴应力的传统方法尽管在理论和方法上得到了一定的发展,但随着计算机技术的发展,有限元技术在曲轴的强度研究中得到了越来越广泛的应用,已有许多文献利用有限元方法得出了较为有效的结果。但总体来看,已有的曲轴有限元分析的研究对象都是针对某种具体型

8、号曲轴,而且从模型和边界条件的处理上存在较大的差别:在模型方面,二维平面模型和三维的单拐、1/4和1/2拐乃至整体模型都有采用，载荷处理上一般只考虑了单一受载情况,而忽略了扭矩和惯性力的作用，连杆轴径表面作用力和主轴颈约束采用不同的简化处理方法。在周期变化的载荷作用下,曲轴系统可能在发动机转速范围内发生共振,产生附加的动应力,致使曲轴过早地出现弯曲和扭转疲劳破坏。因此,不仅要对曲轴进行静态的应力计算,还有必要进行动态特性分析。目前，复杂结构振动分析已发展到很高水平，曲轴轴系扭振固有频率的计算可以很精确。本文采用基于ANSYS的模拟分析计算方法研究曲轴强度,通过比较各种设计方案的结果来得到曲轴设

9、计的最优解。为了获得曲轴动态特性对其应力影响的具体情况,曲轴的应力计算己从静态计算发展到动态计算。2. 基本内容和技术方案基本内容： 本文以东风康明斯发动机有限公司ISDe245增压柴油机曲轴为研究对象,以ANSYS软件为主要研究工具，采用有限元计算法FEA对其进行应力计算,在此基础上利用试验优化技术对曲轴进行优化改进设计,包括对其的运动学和动力学分析，通过试验优化技术找出该曲轴的最优结构方案。最后分析比较原曲轴和优化曲轴的动态特性,对优化曲轴进行更进一步的考核。本文的主要内容包括: (l)对原模型进行试运算,考查边界条件的正确性,在参数化实体建模的基础上分析整体曲轴的强度,并比较了曲轴有限元

10、分析中不同的边界约束条件对结果的影响。得出基本与实际情况相符的原模型的应力分布云图和应变分布云图。(2)在对原曲轴进行分析的基础上,提出改进方案,分析曲轴圆角应力的影响因素，并进行多因素多水平的试验优化设计,从中找出最佳结构方案。(3)对ISDe245柴油机原曲轴和优化处理后曲轴分别进行模态分析,得出他们的各阶模态,分析比较他们的固有频率和振型。技术方案： 通过国内外的曲轴强度研究现状可以发现,当前曲轴轴系研究的重点内容主要集中在轴系的动态特性上。本文按照现有的理论模型和计算方法，从曲轴的运动学及动力学特性着手，主要利用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行动态仿真模拟分析。 （1）对曲柄连杆机构

11、进行结构设计，包括轴颈、曲柄臂、平衡重、油道的设计。特别对曲轴疲劳强度进行了分析和校核。 （2）对曲轴进行有限元分析。利用ANSYS软件建立曲轴整体模型，选取单元类型，定义材料的属性，然后对有限元网格进行划分。通过对曲轴的受力分析，确定载荷分布状况和边界条件，其中包括对轴颈分布载荷的计算，曲轴旋转惯性力和重力的分析，曲轴约束条件的处理。并在此基础上，获得曲轴有限元分析的应力及应变状况，进而提出的曲轴强度的检验。 （3）对曲轴进行模态分析。在建立曲轴结构模态分析模型的基础上，获得模态计算结果以及模态振型表现，并对其作出基本分析，对曲轴的设计提出改进方案。3.进度安排周次(时间)工作内容12(1.

12、141.25)确定选题，校内搜集资料和外文翻译资料。3(2.253.1)写出文献检索摘要，撰写开题报告。45(3.43.15)赴外地实习，搜集资料，提交实习日记、实习报告。67(3.183.29)消化资料，整理论文提纲，设计概要，外文翻译译文。810(4.14.19)提交开题报告和外文翻译译文，开始绘图。1113(4.225.10)撰写论文，绘图。14(5.135.17)论文（设计）、图纸审查和打印。1516(5.205.31)提出答辩申请，准备答辩；老师审阅图纸(论文)和答辩资格。17(6.36.7)毕业设计答辩 4.指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 目录摘 要1Abstract21

13、绪论31.1 引言31.2 课题研究的目的及意义31.3 国内外研究现状31.4 本论文的主要工作42 有限元技术及ANSYS软件42.1 有限元技术52.1.1 有限元法的基本概念52.1.2 有限元技术的发展趋势52.2 ANSYS软件52.2.1 ANSYSY特点与主要功能53 曲轴结构设计及强度校核63.1 曲轴的工作条件与设计要求63.2 曲轴的结构类型与材料73.3曲轴的结构设计73.3.1 轴颈的设计83.3.2 曲柄臂的设计83.3.3 平衡重的设计83.3.4 油道的设计93.3.5 曲轴疲劳强度分析与校核94 基于ANSYS的曲轴结构的有限元分析114.1 曲轴整体模型的生

14、成114.2 单元类型的选择124.3 材料属性的定义134.4 有限元网格的划分134.5 载荷分布状况的确定154.6 边界条件的简化及处理154.6.1 力边界条件的处理164.7 曲轴有限元分析的结果184.7.1 应力分析184.7.2 应变分析195 曲轴的模态分析225.1 基于ANSYS的有限元模态分析的基本过程225.2 ISDe245发动机曲轴的模态分析235.3 有限元模型的建立235.3.1 模态结果分析236 曲轴设计的改进方案与优化措施276.1 模型的建立与计算假设276.2 优化方案的提出277 课题总结及展望297.1 课题的总结297.2 今后工作的展望29

15、参考文献31致 谢32摘 要曲轴是内燃机中最主要的运动部件之一，发动机的可靠性和寿命在很大程度上取决于曲轴性能的优劣性。曲轴在结构上基本上由若干个单元曲拐构成，而一个曲柄销，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐。本文以东风康明斯发动机有限公司ISDe245 增压柴油机曲轴为研究对象,以ANSYS软件为主要研究工具，采用有限元计算法FEA对其进行应力计算,在此基础上利用试验优化技术对曲轴进行优化改进设计,包括对其的运动学和动力学分析，通过试验优化技术找出该曲轴的最优结构方案。最后分析比较原曲轴和优化曲轴的动态特性，得到曲轴的优化方案。 关键词：曲轴；有限元法；模态分析；疲劳强度Abst

16、ract crankshaft is one of the most important moving parts of the internal combustion engine. the reliability and life of the engine depends largely on the performance of the merits of the crankshaft. Essentially in the structure of the crankshaft ,several units constituting the bell crank, and a cra

17、nk pin, the left and right crank arms and the left and right main journals form a unit crank. In this paper, Dong feng Cummins Engine Co., Ltd. ISDe245 turbocharged diesel engine crankshaft as the research object, ANSYS as the main research tool, using finite element method FEA stress its calculatio

18、ns on the basis of the crankshaft using experimental optimization techniques to improve the design optimization , including its kinematic and dynamic analysis, optimization techniques to find out by testing the optimal structure of the program of the crankshaft. Finally analysis and comparison of th

19、e original and optimized crankshaft dynamics, optimization for further assessment of the crankshaft.Keywords: crankshaft；finite element method；modal analysis；fatigue strength1绪论1.1 引言曲轴是发动机曲柄连杆机构的重要组成部分,其尺寸参数对内燃机的整体尺寸、成本影响很大，而且曲轴是将活塞、连杆传来的气体作用力转化为曲轴的旋转力矩用以驱动汽车的传动系统,同时还驱动配气机构及其它辅助装置工作。因此，曲轴性能的好坏将直接影响

20、到发动机的工作可靠性和疲劳寿命。曲轴是在气缸内周期性变化的气体压力及往复和旋转质量惯性力引起的载荷的条件下工作的,发动机曲轴如果没有足够的抗弯曲和扭转的疲劳强度和刚度，将会引起曲轴的疲劳失效甚至断裂。为此，本文将重点分析曲轴的工作情况，并且运用有限元法分析曲轴运动过程中的应力和应变，提出新的曲轴设计和改进的方法。1.2 课题研究的目的及意义曲轴是内燃机中最主要的运动部件之一，其功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，其承受弯曲和扭转交变载荷。因此，曲轴应该有足够的抗弯曲和扭转的

21、疲劳强度和刚度。随着柴油机向高速化、紧凑化方向发展,柴油机主要零部件的载荷和工作条件也更加苛刻。从大量使用着的柴油机主要零部件的疲劳破损情况看,出现最多的有两种形式,一种是以连杆为例的压缩疲劳损坏,另一种是以曲轴为例的发生于曲轴过渡圆角处的拉伸疲劳断裂。因此,为了提高整机性能,工作可靠性,并且考虑到操作人员的安全问题,我们必须在原有的曲轴连杆机构设计基础上对其进行优化改进。1.3 国内外研究现状国内对于柴油机曲轴强度方面的研究起步较晚，曲轴的设计主要是依靠经验设计,即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料,借以初步确定曲轴的基本尺寸,然后进行结构细节的设计、强度复核及曲轴样品试验,最后确定曲轴

22、的结构。减小曲轴在工作状态下过渡圆角处的应力集中则是设计曲轴时的一个难点。一般确定曲轴强度的方法有两种:一是进行曲轴疲劳试验,二是进行模拟分析计算。但由于试验条件的不一致和试验件数量少,导致研究结果往往存在很大差异,无法建立比较系统的计算方法,因此曲轴强度计算主要还是依据国外的相关资料和经典计算公式。国外已经开展了曲轴动态应力计算的研究,并开发了相应的商业软件，有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名的公司。目前,根据名义应力和应力集中系数计算曲轴应力的传统方法尽管在理论和方法上得到了一定的发展,但随着计算机技术的发展,有限元技术在曲轴的强度研究中

23、得到了越来越广泛的应用,已有许多文献利用有限元方法得出了较为有效的结果。1.4 本论文的主要工作 本文以东风康明斯发动机有限公司ISDe245 增压柴油机曲轴为研究对象,首先对其进行运动学和动力学分析，再以ANSYS软件为主要研究工具，采用有限元计算法FEA对其进行应力计算,对曲轴进行动态仿真模拟分析。本课题的研究工作主要有以下内容: （1）对曲柄连杆机构进行受力分析，包括气体作用力，惯性力。特别是活塞销处和曲柄销处的受力分析。 （2）介绍曲轴的工作条件和设计要求，确定其结构类型和材料属性，在此基础上对曲轴结构进行设计和布置。 （3）对曲轴进行有限元分析。利用ANSYS软件建立曲轴整体模型，选

24、取单元类型，定义材料的属性，然后对有限元网格进行划分。通过对曲轴的受力分析，确定载荷分布状况和边界条件，其中包括对轴颈分布载荷的计算，曲轴旋转惯性力和重力的分析，曲轴约束条件的处理。并在此基础上，获得曲轴有限元分析的应力及应变状况，进而提出的曲轴强度的校核。 （4）对曲轴进行模态分析。在建立曲轴结构模态分析模型的基础上，获得模态计算结果以及模态振型表现，并对其作出基本分析，对曲轴的设计提出改进方案。2 有限元技术及ANSYS软件2.1 有限元技术2.1.1 有限元法的基本概念有限元法是将无限自由度的连续系统近似等效为只有有限自由度的离散系统，使所求问题转化为适合于数值求解的数学问题。有限元法是

25、把连续系统离散为数目有限的单元，单元之间以节点相互联系，构成一个单元集合体以替代原有系统。再把实际结构上的载荷或边界条件移植到节点上，进而引入几何方程或物理方程等对每个单元特性分析求解。最后将单元的特性关系按一定条件集合起来，引入边界条件构成一组以节点变量为未知量的方程组，从而可以求得节点处的待求变量。2.1.2 有限元技术的发展趋势有限元技术不仅可以解决工程上的结构分析问题，而且还可以解决传热学、流体力学、电磁学和声学等领域的问题。有限元计算结果已经成为各种工业产品设计和性能评估的重要依据，在大型结构应力应变分析、稳定性分析、传热分析等方面越来越具有影响，为这些问题的解决提供了高效的方法。2

26、.2 ANSYS软件2.2.1 ANSYSY特点与主要功能ANSYS是目前通用的有限元分析软件之一，其功能强大，应用广泛，主要特点与功能表现在首先，ANSYS具有良好的用户开发环境，用户可以利用APDL、UIDL和UPFs等对其进行二次开发。其次，它具有多种网格划分方式和独特的优化功能，可以根据模型的特点选择合适的网格划分方式，并且可以利用优化设计模块对结构的形貌和材料等进行优化。再次，其具有友好的程序接口，能实现与主流CAD软件及其他有限元分析软件在数据上的导入和导出。最后，ANSYS具有强大的求解功能，提供了多种求解器，用户可根据具体的分析问题选择合适的求解器。本文主要是用ANSYS Wo

27、rkbench对曲轴进行静力学分析以及模态分析，ANSYS Workbench提出的背景主要是传统CAE软件在设计研发中的不足对分析人员的要求很高，有限元的概念与相关行业功能结合较少数据接口与共享不方便，处理模型的功能较弱主要在设计后期使用，而不是贯穿整个设计过程。Workbench把ANSYS系列产品融合在仿真平台，使数据无缝实现传递以及共享，并且Workbench为仿真模拟和设计提供了全新的平台，提高了仿真效率。3 曲轴结构设计及强度校核3.1 曲轴的工作条件与设计要求曲轴是在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作的,使曲轴产生扭转和弯曲变形,产生疲劳应力状态。事实与理论表明，

28、曲轴的主要破坏形式是弯曲疲劳破坏。所以,曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。曲轴是曲柄连杆机构的重要组成部分,其必须具有足够的刚度。当曲轴弯曲刚度不足时,活塞、连杆、轴承等的工作条件会恶化,直接影响它们的工作可靠性。因此,在设计曲轴时,还要保证它有足够高的弯曲刚度。曲轴由于形状复杂，其应力集中现象比较严重,最主要的是在曲柄至轴颈的过渡圆角区,所以曲轴必须具有足够的疲劳强度,在应力集中部位应设法缓和应力集中现象,可以采用局部强化的方法来解决这一矛盾。曲轴轴颈在工作时会以较大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。这就要求设计曲轴时,各轴颈要有足够大的承压面积和耐磨性。另外，在汽车发动机趋于高速化的条件

29、下,曲轴的质量应尽量小，以免产生较大的运动惯性。3.2 曲轴的结构类型与材料曲轴基本上由若干个单元曲拐构成。一个曲柄销，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐。按单元曲拐连接方法的不同，曲轴可以分为整体式和组合式两种。1) 整体式曲轴各单元曲拐锻制或铸造成一个整体的曲轴为整体式曲轴。这种曲轴的优点是结构简单，加工面较少，质量小，工作可靠性好，适用于中小型发动机，现代发动机曲轴多为整体式曲轴。2） 组合式曲轴由单元曲拐组合拆装而成的曲轴为组合式曲轴。单元曲拐便于制造，而且单元曲拐如果损坏可以更换，不必将整根曲轴换掉。但组合式曲轴结构复杂，拆装不便。综合以上分析，本文采用的曲轴是整体式曲轴

30、形式。曲轴材料的选择是曲轴设计的重要环节。曲轴材料的选择要保证曲轴有足够强度,为了使曲轴的加工容易而且价格低廉，应尽可能采用一般材料作为曲轴的材料。曲轴材料除了应具有良好的机械性能以外,还要具有很高的耐磨性、耐疲劳性和冲击韧性。目前发动机曲轴一般由45、35Mn2、40Cr等中碳钢和中碳合金钢模锻而成，轴颈表面须经高频淬火或氮化处理，最后再进行精加工。现代汽车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴，球墨铸铁耐磨性能好，价格便宜，轴颈不需硬化处理，而且金属消耗量少，机械加工量也少。除此以外，为了提高曲轴的疲劳强度，消除应力集中，轴颈表面还应进行喷丸处理，圆角处要经滚压处理。本文曲轴材料为42CrMoA。3.

31、3曲轴的结构设计3.3.1 轴颈的设计 曲轴轴颈包括主轴颈和曲柄销。1）曲柄销的直径D2和长度L2在设计曲轴轴颈的尺寸时，首先要确定曲柄销的直径。现代发动机设计中，趋于采用较大的曲柄销直径，这样可以降低曲柄销的比压，提高连杆轴承工作的可靠性，还可以提高曲轴的刚度。但如果曲柄销直径过大，会引起转动惯量的急剧增大，而且轴承的摩擦损失也会相应增加，导致轴承热负荷过大，故曲柄销直径总是小于主轴颈直径。曲柄销长度是在曲柄销直径的基础上选定的。为保证曲轴的刚度和轴承的可靠性，曲柄销长度应控制在一定范围内。现代内燃机为了提高曲轴的刚度，轴承长径比一般为0.4左右。本文取曲柄销直径为50cm，长度为35cm。

32、2） 主轴颈的直径D1和长度L1 为了最大限度地加强曲轴刚度，一般选用短而粗的主轴颈。加粗主轴颈不仅可以提高曲轴的刚度，还能相对缩小长度，提高曲轴强度。但如果主轴颈直径过大，会使轴承圆周速度加大，增加摩擦损失。因此。为保证曲轴各部分尺寸的协调性，一般取D1=(1.051.25)D2。主轴颈的长度一般小于曲柄销长度。取较短的主轴颈可满足增加刚度和保证良好润滑的要求，但不能过短，否则会使轴承负荷能力下降。本文取主轴颈直径为58cm,长度为32cm。3.3.2 曲柄臂的设计曲柄臂在曲柄平面内的抗弯刚度和强度均较差，常因受交变弯曲应力而断裂。曲柄臂是整体曲轴上最薄弱的环节，故设计时应合理选择其厚度、宽

33、度及形状，以改善应力分布情况，保证曲轴有足够的刚度和强度。曲柄的抗弯能力可以用其矩形断面的抗弯断面模数来衡量，曲柄臂强度可通过增大曲柄臂的厚度和宽度来提高，但增加厚度比增加宽度更能提高其抗弯能力。同时，当缸心距一定时，曲柄臂厚度不可能过大。现代高速内燃机曲轴的曲柄形状多采用椭圆形或圆形，本文采用椭圆形曲柄，椭圆形曲柄具有良好的弯曲和扭转刚度。本文设计的曲柄臂宽为30cm，厚为18cm。3.3.3 平衡重的设计平衡重的作用是平衡发动机的转动离心力及其力矩，有时也可平衡往复惯性力及其力矩，并且还可以减小主轴承的负荷。设计平衡重时，要尽可能使平衡重的重心远离曲轴的旋转中心，平衡重的径向尺寸要防止其旋

34、转时与曲轴箱等固定件发生干涉，也不能与活塞裙部和连杆大头相碰。平衡重的厚度应连杆能从两个平衡重之间的空隙通过为限度。平衡重可与曲柄臂做成一个整体，也可以单独制造。铸造曲轴的平衡重一般与曲轴铸成整体，这样加工简单且工作可靠。锻造曲轴由于结构或锻造设备的限制，平衡重往往与曲轴分开铸造，并用螺钉紧固在曲柄臂上。本文采用的是分开铸造式平衡重，并用螺钉紧固在曲柄臂上。3.3.4 油道的设计曲轴轴承的工作能力在很大程度上取决于摩擦表面的润滑品质,因此,为了保证轴承的工作可靠性,主轴颈和连杆轴颈通常都釆用压力润滑。将润滑油输送到曲轴轴承中去的供油方式有两种：一种是集中供油，即将曲轴内部作为中空的连续孔道，该

35、孔道作为内燃机的主油道，润滑油从曲轴的一端进入曲轴，然后经曲轴内控串联流向各轴承；另一种是分路供油，即润滑油从曲轴箱上的主油道并联进入各个主轴承，然后通过曲轴油道再进入相应的连杆轴承。现代发动机多采用分路供油。油道的布置方案较多，本文采用比较普遍的斜油道，即从曲柄臂肩部钻一油孔，贯通曲柄销与主轴颈，再以直孔接通，最后将曲柄臂肩部孔堵死，这种斜油道的上部还可作机械杂质的收集器。综合上述分析，对于柴油机主轴颈直径D1/D=(0.700.85),长度L1/D=(0.350.50)；曲柄销直径D2/D=(0.600.80),长度L2/D=(0.350.45)。而本文的柴油机缸径是80cm,故取D1为5

36、8cm,L1为32cm；取D2为50cm,L2为35cm。曲柄臂宽W=30cm，厚b=18cm。3.3.5 曲轴疲劳强度分析与校核有限元计算结果显示,在曲柄销及主轴颈处有较大的应力集中,最危险的区域在第三个气缸发火时第三主轴颈与第三个曲拐处,曲轴的位移量较小,远在设计的范围内,故本文对曲轴强度作如下校核。对于曲轴静强度安全系数的校核，静强度安全系数计算公式为，式中是材料的强度极限,取值为980MPa；是曲轴危险部位的最大应力,按最大应力数值进行校核,根据应力云图可以得到最大应力数值为242.37MPa,所以n=980/242.37=4.043。通常合金钢制造的发动机曲轴安全系数,故强度安全系数

37、在许用范围内,曲轴的强度满足要求。9对于曲轴疲劳强度安全系数校核，疲劳安全系数计算公式为其中，是材料对称弯曲循环疲劳极限；是曲轴弯曲时的名义应力幅；是曲轴弯曲时的名义平均应力；是曲轴有效总不均匀度系数；是曲轴弯曲时的应力集中系数；是绝对尺寸影响系数；是强化系数,表示不同加工方法和工艺措施对曲轴圆角部位疲劳强度的影响；是材料对应力循环不对称的敏感系数。为第三气缸爆发时施加的最大载荷和最小载荷对应的应力值分别为242.37MPa和26.93MPa。则107.72MPa,134.65MPa。根据材料属性查得各个参数如下:780.5MPa,1.55，0.805，1.45,0.702,0.333。将上述

38、数据带入式中得到=4.412,考虑到多缸发动机曲轴一般扭转振动以及动载荷对曲轴的冲击作用将增大曲轴应力,因此再引用动力强化系数和动荷系数C修正原有的安全系数: 查表可得=1.28，一般取C=，本文取C=1.2。可得n=2.872。对于钢材料曲轴,在制造工艺稳定的情况下,安全系数应取n1.5,因此曲轴的强度能满足要求。4 基于ANSYS的曲轴结构的有限元分析曲轴在工作时的应力应变情况对设计曲轴十分重要，其应具有足够的强度和刚度,传统的设计方法很难准确地反映出曲轴的实际运行状况。随着计算机软件的开发和完善，有限元法作为一种强有力的数值计算方法，已经应用到工程实践中，并且大大减少了计算过程，缩短了曲

39、轴的设计周期。利用有限元分析，可以有效地分析曲轴工作时的形状和应力的变化，为改善曲轴的性能提供了理论依据。4.1 曲轴整体模型的生成ANSYS提供了两种创建有限元模型的方法，它们是实体建模和直接生成。所谓直接生成方法就是在定义实体模型之前,必须确定每个节点的位置,及每个单元的大小、形状和连接。本文所用的ANSYS直接建模其实就是这样一种思想。与之相比,实体建模方法,就是首先描述并建立模型的几何边界,然后建立对单元大小及形状的控制,最后令ANSYS程序根据控制要求自动生成所有的节点和单元。ANSYS 软件对大多数常用三维建模软件都设置有固定的接口，以便将三维模型直接导入进行分析。本文首先利用Ca

40、tia建立曲轴的实体模型，然后将曲轴三维实体模型导入 ANSYS 软件中，再进入有限元分析过程。进行曲轴有限元分析,首先要建立相应的有限元模型，由于曲轴的形状不规则，结构比较复杂，其轴线也不连续，属于长轴类零件。基于这些特点,曲轴具有不对称性，所以对曲轴进行有限元分析时须以整体曲轴作为研究对象。一般在ANSYS 中进行模态分析时，为了节省计算资源需要对复杂计算模型进行简化，但其结果必然会影响计算精度；所以考虑到 ANSYS Workbench 能与三维设计进行无缝连接，也为了提高计算精度，没有对模型进行过多简化修改，直接将整体模型导入有限元分析软件中进行分析计算。在Catia中将建好的曲轴三维

41、模型保存为Stp文件，接着导入ANSYS Workbench的Geometry中。基于以上获得的曲轴实体模型图如图1所示： 图1 曲轴实体模型4.2 单元类型的选择 在ANSYS中，存储有200多种不同的单元类型。从普通的线单元、面单元、体单元到特殊的接触单元、问隙单元和表面效应单元等，这些单元类型是为了适应不同分析的需要。在有限元分析中，单元类型的选择至关重要,必须考虑下列因素:第一，选取的单元要能够较精确地模拟被分析部件的几何形状,以使计算的物理模型的误差尽可能减小；第二，选取的单元能够较容易地自动生成计算网格,以缩短分析计算周期；第三，选取的单元能够较好模拟计算模型的真实边界条件,以减小

42、计算结果的误差，并且尽可能地节约计算时间。基于以上原则,并且ANSYS Workbench所特有的自动六面体网格模型，故本文将会采用SOLID45单元对曲轴进行自由网格划分,此单元是一种3D结构化网格,是八节点的六面体单元,每个节点有三个自由度:x、y和Z方向位移。并且该单元有塑性、蠕变、可滑移、大应力、大变形和应力硬化能力。4.3 材料属性的定义ANSYS程序中能很方便地定义各种材料的属性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。不同的材料都具有不同的力学、传热学、电磁和流体行为的特性,这些特性就是材料属性特性。本文所述曲轴的材料选择是42CrMoA，其机械特性如表1所

43、示: 表1 材料属性 材料名称 切变模量G 弹性模量E 泊松比 42CrMoA 8.1×1010Pa 2.06×1011Pa 0.3 4.4 有限元网格的划分本文对曲轴实体模型采用SOLID45单元进行自由网格划分,由于曲轴的结构比较复杂,如果在实体建模时将各种小的倒角和圆角以及油孔都考虑进去,网格划分时就会非常复杂。在划分网格时,首先要采用较尺寸较大的网格对实体模型进行划分,然后对可能出现应力集中的圆角处进行细划。为了在不影响曲轴建模的情况下，需要对曲轴结构作一些简化处理,即在对曲轴实体建模时忽略小的倒角和圆角,在划分网格时对连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处进行网格细化。划分后

44、的曲轴有限元网格如图2所示： 图2 网格划分 图3 网格划分过程 ANSYS Workbench 的功能十分强大，选取尺寸大小，设置好单元类型后会自动划分网格，本次网格划分共产生50590个节点，共28623个单元。4.5 载荷分布状况的确定对于四缸机而言，一般的发火顺序是 1-3-4-2 或者 1-2-4-3，本课题发动机采用的是前一种发火顺序。即该四缸发动机的发火顺序为1-3-4-2。曲轴在同时承受着缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力的作用时，根据受力分析和以往经验，连杆在工作过程中最容易断裂的工况为缸内燃气压力急剧升高时的最大压缩工况以及活塞组件和连杆本身产生的惯性力所引起的最大拉伸

45、工况。这两种载荷的作用力方向沿轴向呈二次抛物线分布,沿径向为余弦分布。对于连杆轴颈而言,载荷方向容易确定,载荷大小的分布情况也应该相同。所以,当连杆轴颈处于最危险工况时，其载荷分布情况如同其几何结构一样,具有上下和左右对称的特点。另外，四缸机一般是在第 2、第 3 缸受到最大爆发压力作用时曲轴所受的应力最大，因此本文选择的工况点均以第 2 缸为准。如图4所示为ANSYS加载载荷时的过程截图，本次加载的载荷具有对称性，为线性载荷，最大值为20000Pa。并且具有对称性，第一缸与第二缸大小相同，第三缸与第四缸大小相同。 图4 载荷加载过程图4.6 边界条件的简化及处理边界条件的施加方式与有限元网格

46、模型的生成方式直接相关,在施加边界条件的时候,本文进行了简化假设：1）不考虑轴颈扭矩及支撑弯矩的作用2）各力都不是集中力,曲拐各部分离心力由程序自动加载,在模型中不施加其它的离心力。3）支反力和连杆轴颈受力不是作用在曲拐平面内。4.6.1 力边界条件的处理 对于曲拐离心力,将其均匀作用在连杆轴颈减重孔上边缘曲拐平面内的节点上。而平衡重离心力,则均匀分布在曲拐平面内平衡块宽度方向上的节点上。对于支反力和连杆轴颈受力,根据传统的方法及有限宽度轴颈油膜压力分布规律,忽略油孔处压力峰值突起的影响,可假定力边界条件为:载荷沿连杆轴颈和主轴颈轴线方向按二次抛物线分布，在沿轴颈径向8120度角范围内按余弦规

47、律分布,设压力分布曲线方程为: （4-1）设轴向受力长度为2L,将l=L,一L代入式(4-l)中,得: (4-2)又当l=0时,所以,代入式(4-2)得: (4-3)而 (4-4)其中因为 (4-5)将式(4-5)代入式(4-4)中得: (4-6)由此可得 (4-7) 得到沿轴颈圆周方向载荷方程: (4-8)(4-8)式中:是作用在轴颈上的总载荷；R是轴颈半径；L是轴颈承载长度；根据上述公式,在ANSYS中采用了加载的方法对有限元模型施加力的边界条件。如图5、6所示： 图5 选择载荷加载面 图6 载荷加载大小此载荷为线性载荷，最大值为20000Pa。并且具有对称性，第一缸与第二缸大小相同，第三

48、缸与第四缸大小相同。4.7 曲轴有限元分析的结果4.7.1 应力分析通过应力计算后ANSYS提供的应力云图可以看出,应力集中的部位在曲柄臂与主轴颈、曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处,这与实际情况相符。利用 ANSYS 软件对曲轴进行有限元计算，得到了计算工况下曲轴的应力云图，如图7、8所示： 图7 应力云图 图8 应力云图分析过程图中应力单位均为 MPa，位移单位为 mm。图7所示为当各缸承受最大爆发压力时整个曲轴的应力云图,从图中可以看到曲轴最大应力出现在了第二缸曲柄销减重孔圆角附近,为242.37MPa,这是分析计算中出现的计算奇异点,因为在建立实体模型的过程中减重孔处出现不连续的曲面相交,从

49、而在有限元网格划分时形成不良单元而造成的奇异点,在分析时可忽略不计。因此曲轴应力集中出现在第二缸曲柄销与曲柄臂的过渡圆角处。主轴颈与曲柄臂的过渡圆角处及主轴颈左右两端面施加约束处等,其中曲柄销与曲柄臂的过渡圆角处的应力最大,为107.72MPa,与实际变形情况基本相符。4.7.2 应变分析通过有限元分析得到的各缸应变云图和变形云图，分别如图9、10所示： 图9 应变云图 图10 变形云图 下图11为分析过程图。 图11 应变云图分析过程 第一个气缸发火时应变如图4所示,最大变形位于第一连杆轴颈与曲柄的圆角过渡处,变形量为0.12119mm。通过对各缸发火时的静力分析可得出,在三缸发火时,变形量

50、最大,变形量为0.5384mm。根据经验数据可得,曲轴的变形量较小,满足刚度要求。 由图可以看出,柴油机应变最大处在曲轴承受载荷最大处,即哪个气缸在发火最高点时,该曲轴连杆轴颈的受力部位的应变是最大的。 5 曲轴的模态分析 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。模态是指结构在它的自由振动时所具有的若干阶固有频率的振型,它是机械结构振动系统特性的一种表征。结构的模态分析是结构动力学分析的基础,通过对结构进行模态分析,可以评估结构的动力特性。在进行结构设计时,必须考虑结构的受激频率是否接近该结构的自然频率。模态分析用于确定设

51、计中的结构或机器部件的振动特性固有频率和振型。结构固有频率的振型是由机械的材料和结构特性所决定的,与载荷条件无关,是结构本身固有的动态特性。 现代汽车对发动机的要求越来越高，而曲轴又是发动机的重要组成之一，发动机曲轴的动态特性对发动机整机的动态特性都有重要影响。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,所以对曲轴结构动态性能进行分析就显得非常重要。本文采用有限元方法建立曲轴的有限元模型,通过有限元分析技术,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。本章基于有限元模态分析理论,对发动机曲轴

52、进行了模态分析研究。曲轴模态分析是其结构动力学分析的基础,通过对曲轴进行模态分析,可以获得其结构动力学特性,对其结构设计改进乃至发动机整机性能的提高都有很好的指导作用。5.1 基于ANSYS的有限元模态分析的基本过程 ANSYS中的模态分析涉及到求解特征值的方法，ANSYS提供的模态提取方法共有七种:子空间法、分块法、缩减法、动态提取法、非对称法、阻尼法以及 QR 法。一般模态分析的过程包括有建模、加载及求解、扩展模态、观察结果四个步骤。 第一步是建模，模态分析时也需要建模,模态分析建模与静力学建模的思路大致相同，首先要定义单元类型以及材料特性,然后再建立几何模型、划分网格。建模时需注意:必须

53、定义材料的弹性模量和密度；模态分析是线性分析,可以不考虑非线性部分。 第二步是加载并求解，首先要定义分析的类型、施加相应的约束、设置必要的载荷类型选项,然后再对曲轴的固有频率进行求解。 第三步是扩展模态，为了方便查看模态分析结果,需要扩展模态,也就是将相应的振型写到储存结果的文件中。 第四步是观察结果，对曲轴的应力、应变、频率以及振型等进行分析。5.2 ISDe245发动机曲轴的模态分析根据振动理论得知,在构件的振动过程中,一般只有少数几个低阶共振情况较为危险，高阶所对应的振型在振动过程中对结构的振动影响较小,而且高频率所对应的振型会因为结构中阻尼的存在而快速衰减。所以在求解模态中,选取曲轴前6阶振型进行分析。这样不需要求解出所有的固有频率及振型，大大简化了计算量和分析的复杂性。5.3 有限元模型的建立对