曲軸課程設(shè)計(jì)說明書

1、四拐曲軸課程設(shè)計(jì)說明書院 別： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2012年 1月16日目 錄引言.31.四拐曲軸概況.41.1 四拐曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) .41.2 四拐曲軸工作情況.41.3 四拐曲軸設(shè)計(jì)要求.51.4四拐曲軸的材料選用.52.四拐曲軸UG建模.62.1建模步驟.62.2建模形成圖.103.四拐曲軸ANSYS有限元分析.103.1倒入模型.103.2材料選擇.113.3網(wǎng)格劃分.113.4施加約束和載荷.123.5求解結(jié)果操作.133.6結(jié)論.154.總結(jié).16參考文獻(xiàn).16引 言曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)里必不可少的部件。它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸和

2、重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與壽命。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)其它零件的嚴(yán)重?fù)p壞，在發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)中，曲軸的改進(jìn)也占有重要地位。隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展與強(qiáng)化，曲軸的工作條件越來越惡劣了。因此，曲軸的強(qiáng)度和剛度問題就變得更加嚴(yán)重了。在設(shè)計(jì)曲軸時(shí)，必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、材料與工藝，以求獲得經(jīng)濟(jì)最合理的效果因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強(qiáng)度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤滑良好。我們的課程設(shè)計(jì)主要研究的是四拐曲軸的相關(guān)動(dòng)力性能及強(qiáng)度計(jì)算。我們運(yùn)用所學(xué)的工程制圖、機(jī)械制造基礎(chǔ)、工程材料、UG建模、CAD/CAE/CAM技術(shù)與應(yīng)用等課程，綜合大學(xué)中所學(xué)的課程進(jìn)行曲

3、軸的分析校核設(shè)計(jì)。通過研究曲軸的工作過程以及加工工藝過程，以及曲軸的三維實(shí)體建模和ANSYS強(qiáng)度分析計(jì)算，使我們理論結(jié)合實(shí)踐，提高實(shí)際操作能力，增強(qiáng)自身的核心競爭力，在課程設(shè)計(jì)的過程中具體目標(biāo)有如下幾個(gè)： 1、分析曲軸工作環(huán)境，性能要求以及材料等；2、根據(jù)圖紙進(jìn)行三維實(shí)體建模；3、對模型進(jìn)行有限元分析；4、根據(jù)有限元分析的結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度分析。課程設(shè)計(jì)說明書1.四拐曲軸概況1.1 四拐曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)曲軸的作用是把活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過連桿轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳給底盤的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和其它輔助裝置，如風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機(jī)等。曲軸一般由主軸頸，連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成，如圖1.1所示。

4、一個(gè)主軸頸、一個(gè)連桿軸頸和一個(gè)曲柄組成了一個(gè)曲拐，直列式發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲拐數(shù)目等于氣缸數(shù)，而V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。主軸頸是曲軸的支承部分，通過主軸承支承在曲軸箱的主軸承座中。主軸承的數(shù)目不僅與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)目有關(guān)，還取決于曲軸的支承方式。曲柄是主軸頸和連桿軸頸的連接部分，斷面為橢圓形，為了平衡慣性力，曲柄處經(jīng)常設(shè)置平衡重。平衡重用來平衡發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡的離心力矩及一部分往復(fù)慣性力，從而保證了曲軸旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。曲軸的連桿軸頸是曲軸與連桿的連接部分，曲柄與主軸頸的相連處用圓弧過渡，以減少應(yīng)力集中。直列發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿軸頸數(shù)目與氣缸數(shù)相等而V型發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿軸頸數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。1.2曲軸工作

5、情況曲軸，它是一根拐了幾道彎的軸。曲拐數(shù)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)有幾個(gè)氣缸以及它的排列方式，一根連桿連一個(gè)曲拐的，其曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)；兩根連桿連一個(gè)曲拐的，其曲拐數(shù)為氣缸數(shù)的一半。曲軸要求耐沖擊、耐磨，一般都用中碳鋼或中碳合金鋼鍛造而成，也有用球墨鑄鐵鑄造成的曲軸。帶飛輪的曲軸。位于轉(zhuǎn)動(dòng)中心的主軸頸，它借助墳軸瓦和曲軸箱相連。不在轉(zhuǎn)動(dòng)中心的軸頸叫連桿軸頸或曲柄銷，它借助于連桿軸瓦和螺栓與連桿相連。由于曲軸要在高速下旋轉(zhuǎn)，所以它需要不間斷地用機(jī)油對磨擦表面加以潤滑。因此在曲軸的主軸頸、連桿軸頸的曲軸本體內(nèi)都鉆有油道，以便機(jī)油能通過這些油道，潤滑這些部位。由于曲軸的形狀很不規(guī)則，轉(zhuǎn)動(dòng)起來就會(huì)晃動(dòng)，行家稱這種現(xiàn)

6、象為不平衡。如果發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)人造棉其發(fā)展，不但會(huì)產(chǎn)生極大的噪聲，而且機(jī)件的壽命也大大地縮短。造成不平衡的主要原因是曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生了不規(guī)則的離心力和離心力矩，另外還有活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力。對于氣缸數(shù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，這些力和力矩有的存在，有的不存在。因此需要根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)置平衡塊加以平衡。有的平衡塊和曲軸制成一體，也有用螺栓固定在曲軸上的。1.3曲軸的設(shè)計(jì)要求曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動(dòng)摩擦。這些軸承在實(shí)際變工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體摩擦，尤其當(dāng)潤滑不潔凈時(shí)，軸頸表面遭到強(qiáng)烈的磨料磨損，使得曲軸的實(shí)際使用壽命大大降低。所以設(shè)計(jì)時(shí)，要使其各摩擦表面耐磨，各軸頸應(yīng)具有

7、足夠的承壓面積同時(shí)給予盡可能好的工作條件。要求如下：1）具有足夠的疲勞強(qiáng)度，以保證曲軸工作可靠。盡量減小應(yīng)力集中，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)；2）具有足夠的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度，使曲軸變形不致過大，以免惡化活塞連桿組及軸承的工作條件；3）軸頸就有良好的耐磨性，保證曲軸和軸承有足夠的壽命；4）曲柄的排列應(yīng)合理，以保證柴油機(jī)工作均勻，曲軸平衡性良好，以減少振動(dòng)和主軸承最大負(fù)荷；5）材料選擇適當(dāng)，制造方便。1.4曲軸的材料選用目前,國內(nèi)普遍使用的曲軸材料主要有鍛鋼和球墨鑄鐵2類。鍛鋼材料一般為中碳鋼和中碳低合金鋼,如45鋼、53鋼、35CrMo、40Cr等。球墨鑄鐵曲軸牌號(hào)有QT600 - 3、QT700 - 2、QT

8、800 - 2、QT900-2、QT900-5。工業(yè)強(qiáng)國的球墨鑄鐵生產(chǎn)比重較大。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝正確合理的條件下，主要是材料強(qiáng)度決定著曲軸的體積、重量 和壽命。因此，必須根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的用途及強(qiáng)化強(qiáng)度，正確的選用曲軸材料，在保證曲軸有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能采用一般材料。以鑄代鍛，以鐵代鋼。作為曲軸的材料，除了應(yīng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能以外，還要求有高度的耐磨性，耐疲勞性和沖擊韌性。同時(shí)也要使曲軸的加工容易和造價(jià)低廉。球墨鑄鐵比鋼輕約10%,無殘留應(yīng)力,加工時(shí)產(chǎn)生的缺陷少,而且球墨鑄鐵減振性、耐磨性、對缺口敏感性等優(yōu)于鍛鋼。鑄造曲軸與鍛造曲軸相比,可使連桿軸徑中空,減輕回轉(zhuǎn)質(zhì)量,且可減少軸拐角處的

9、應(yīng)力集中。球墨鑄鐵曲軸,尤其是鑄態(tài)球墨鑄鐵曲軸,具有生產(chǎn)工藝簡單、能源消耗少、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，本次設(shè)計(jì)我們采用球墨鑄鐵（具體參數(shù)見ANSYS分析中的材料選擇）。2.四拐曲軸UG建模UG軟件是Siemens PLM Software公司推出的大型CAD/CAM交互式系統(tǒng)。在工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、NC加工、模具設(shè)計(jì)等方面，UG都具有操作容易、使用方便、可動(dòng)態(tài)修改的特點(diǎn)。用UG創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)觀察結(jié)構(gòu)形體，更可以進(jìn)行方便的動(dòng)態(tài)修改和調(diào)整。我們選用UG進(jìn)行四拐曲軸的建模。2.1建模步驟1） 創(chuàng)建固定基準(zhǔn)平面。在平面上建立草圖，拉伸2） 建立草圖

10、，并按軌跡進(jìn)行掃掠幾何體求差，面倒圓。形成如圖3） 建立草圖，并反向拉伸1mm，求差4） 建立草圖（圓），拉伸5） 創(chuàng)建固定基準(zhǔn)面，沿基準(zhǔn)面產(chǎn)生鏡像體。連桿軸面倒圓6） 建立草圖，拉伸，鏡像（對稱形成）7） 鏡像，旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)之后形成8） 建立草圖，拉伸（一邊3個(gè)圓柱，另一邊2圓柱） 9） 草圖建立，選點(diǎn)打孔 （此圖螺紋孔、階梯孔簡化）細(xì)節(jié)圖如下2.2建模形成圖3. 曲軸ANSYS有限元分析ANSYS有限公司由John Swanson博士創(chuàng)建于1970年，該公司開發(fā)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行工程分析的軟件。ANSYS有限元程序是ANSYS有限公司的主要產(chǎn)品。它開發(fā)初期是為了用于電力工業(yè)，現(xiàn)在已能滿足從汽

11、車、電子到宇航、化學(xué)等大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域有限元分析(FEA)的需要。ANSYS軟件作為一個(gè)大型、通用的有限元程序，其功能已為全世界所公認(rèn)。ANSYS是迄今為止世界范圍內(nèi)唯一通過IS09001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)類軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)，美國核安全局(NQA)及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。ANSYS是第一個(gè)通過中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在17個(gè)部委推廣使用的分析軟件。ANSYS軟件具有結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體分析等強(qiáng)大的功能。該軟件采用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言,能和AutoCAD, UG, I-DEAS, PRO/E等多種CAD軟件接口，因此本設(shè)計(jì)采用ANSYS軟件進(jìn)行有

12、限元分析。3.1導(dǎo)入模型打開Ansys workbench，雙擊Static Structural彈出如下對話框右擊Geometry點(diǎn)擊Browse導(dǎo)入U(xiǎn)G模型，然后雙擊Model導(dǎo)入圖形。3.2材料選擇（下圖）3.3網(wǎng)格劃分由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用有限元軟件進(jìn)行建模時(shí)很難保證與圖紙上的曲軸結(jié)構(gòu)完全一致，因此建模時(shí)必須簡化。為了減少應(yīng)力集中，曲軸上不同截面的結(jié)合處都有半徑不一的倒角，如果在建模時(shí)考慮這些倒角和油孔，則會(huì)使有限元的網(wǎng)格非常密集，這就大大地增加了模型的單元數(shù)量，花費(fèi)大量的求解時(shí)間，而且生成的網(wǎng)格形狀也不理想，降低了求解精度，因此在整體曲軸建模時(shí)僅考慮主軸頸、曲軸軸頸與曲拐連接處的過渡

13、圓角。單元網(wǎng)格密度為5mm,采用默認(rèn)算法，自動(dòng)生成網(wǎng)格為下圖所示；3.4施加約束和載荷1）約束曲軸圖示處與軸承相接觸，施加約束限制兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)如下圖所示2）載荷任何實(shí)際結(jié)構(gòu)都會(huì)受到一定的約束條件來保持其穩(wěn)定性，因此給結(jié)構(gòu)模型施加合適的約束條件是進(jìn)行有限元分析的一個(gè)重要步驟。 在結(jié)構(gòu)分析涉及到的所有載荷中，慣性載荷相對于整體笛卡兒坐標(biāo)系施加于整個(gè)模型，除此之外，其它載荷既可以施加于實(shí)體圖元（點(diǎn)、線、面），也可以施加在有限元模型上（結(jié)點(diǎn)、單元）。載荷可以進(jìn)行施加(Apply)、刪除(Delete)、運(yùn)算(Operate)。添加載荷1500N：3.5求解結(jié)果操作點(diǎn)擊solve進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下

14、1）總形變云圖2）應(yīng)力云圖應(yīng)力最大處為主軸頸與曲臂接觸的過度圓角處，如圖所示，最大數(shù)值為1.4335e6Pa。過渡圓角處有較大集中應(yīng)力，故此處為最危險(xiǎn)的地方，所以工作狀況應(yīng)主要考慮此處，在設(shè)計(jì)的方面也應(yīng)對此處進(jìn)行加強(qiáng)，確保其能正常工作。3）應(yīng)變云圖 由圖可見，平衡配重處為最大變形點(diǎn)，最大形變量為7.2263e-6m，形變量最小處為與配重對應(yīng)的主軸頸上端，形變量為7.1194e-13m。4）安全系數(shù)曲軸的安全系數(shù)即曲軸強(qiáng)度的儲(chǔ)備系數(shù)，它表示曲軸本身的疲勞強(qiáng)度與工作應(yīng)力之比。3.6結(jié)論該曲軸的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在連桿軸頸下側(cè)與主軸頸上側(cè)過渡圓角處，該曲軸的強(qiáng)度不能達(dá)到要求，扭轉(zhuǎn)作用對發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸應(yīng)力值的影響較小。網(wǎng)格的劃分及單元選擇對有限元分析結(jié)果有較大的影響。并且采用有限元分析，使人們對零部件關(guān)鍵參數(shù)的理解和設(shè)計(jì)更進(jìn)了一步。從而減低設(shè)計(jì)周期，減少工作