热动课程设计

1. 一拐曲轴结构特点

曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数（直列式发动机），V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。我们设计的是直列式发动机的两拐曲轴。

主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴支承在曲轴箱的主轴承座中，曲轴的支承方式分为全支承曲轴和非全支承两种。而我们采取的是全支承曲轴。

曲轴的连杆轴颈是曲轴和连杆的连接部分，通过曲柄和主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目与气缸数相等，V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。

曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，铸有（或紧固有）平衡重块。它可以用来平衡发动机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。

曲轴的形状和曲拐相对位置（即曲拐的布置）取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续作功的两缸相距尽可能远，以减少主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠现象。

2.曲轴工作情况

曲轴是发动机的主要旋转机构，它担负着将活塞的上下往复运动转变为自身的圆周运动。通常所说的发动机转速就是曲轴的转速。曲轴与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，使轴既扭转又弯曲。

3.曲轴的设计要求

曲轴在不同周期性的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩（扭转和弯曲）共同作用下工作，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。在设计时应首先保证曲轴具有在足够的弯曲强度和扭转刚度。如果强度不足，会发生造成严重事故。为此，必须选用高强度的材料；合理的结构形状和尺寸。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。这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体摩擦，尤其当润滑不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以设计时，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。

4.曲轴的材料选用

汽车发动机曲轴的材料一般采用45钢（精选含碳的质量分数为0.42%-0.47%）或40Cr、35CrMo，并经调质处理，以提高其强度及抗冲击能力。为提高耐磨性和耐疲劳强度，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工，以达到较高的表面硬度和表面粗糙度的要求。

二、一拐曲轴PROE建模

Pro/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。无论是造型设计、工程出图，以及3D装配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。Pro/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。另外还具有模具设计，动态、静态干涉检查，计算质量特征（如质心、惯性矩）等功能模块。用Pro/E创建的三维参数化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体，更可以进行方便的动态修改和调整。进行力学分析、运动分析、数控加工等。因此我们选用pro/E进行两拐曲轴的建模。

1.建模步骤

1）拉伸前部的轴

运用拉伸工具，如图2所示：

图1

2）拉伸第二段轴

运用拉伸工具，如图2所示： 

图2

3）拉伸第三段轴

运用拉伸工具，如图3所示：

图3

4）拉伸

尺寸如图4所示。

图4

5）拉伸键槽

如图5所示。

图5

6) 凸轮的设计

如图6所示。

图6

7）拉伸

如图7所示。

图7

8）拉伸连接轴

如图8所示。

图8

9）镜像凸轮

如图9所示。

图9

10) 拉伸

如图10所示

图10

11）前轴中心孔旋转生成

                         图11

12）拉伸

运用拉伸工具，如图12所示：

                       图12a

                         图12b

    13）、拉伸轴

运用拉伸工具，如图13所示：

                       图13

16）、拉伸轴       运用拉伸工具，如图16所示：

图16

17）、螺纹孔设计

   运用拉伸阵列工具，如图17所示：

           阵列螺纹孔图17

18）、打孔

如图所示：

图18

19）、旋转生成孔

运用旋转工具，如图19所示：

图19a

图19b

20）、最后进行倒角和圆角等细节处理

运用拉伸工具，如图20所示：

图20

2.建模最终图

三、 曲轴ANSYS有限元分析

1.导入模型

打开Ansys workbench，双击Static Structural弹出如下对话框右击Geometry点击Browse导入pro/e模型，然后双击Model导入图形

导入效果如下：

2.材料选择

材料选择结构钢 密度：9850kg/m3,杨氏模量：2E+11Pa，泊松比：0.3

由图可证明材料已添加到模型中。

3.    网格划分

单元网格密度为5mm,采用默认算法，自动生成网格为下图所示；

4.施加约束和载荷

曲轴图示处与轴承相接触，施加约束两个转动和两个移动如下图所示；

添加载荷：

X方向 5500N   Y方向  4800N    Z方向  0N

考虑重力的影响，设置竖直X向下的重力，如下图所示；

6求解

点击solve进行计算，结果如下

A.总形变云图

由图可见，平衡配重处为最大变形点，最大形变量为0.0026524mm，形变量最小处为与配重对应的主轴颈上端，形变量为2.7005e-5。

 B.应力云图

应力最大处为主轴颈与曲臂接触的过度圆角处，如图所示，最大数值为14.937Mpa。过渡圆角处有较大集中应力，故此处为最危险的地方，所以工作状况应主要考虑此处，在设计的方面也应对此处进行加强，确保其能正常工作。

C．弹性应变图

由于应变是由应力产生的，所以其图形与应力图一样，只是单位不同而已。

D．安全系数图

由图可看出曲轴可正常工作，是安全的。

四、总结：

   虽然课程设计的时间为两个星期，但真正做的时间也不过四五天的样子，其实这些天数足够了，分组的课程设计业算是锻炼大家的团队配合吧，我主要是负责ansys分析的，对于这个软件开始一点都不了解，自己看了三天的书然后在从网上找了一些教程，总算基本了解了其操作过程，由于软件是全英文的，所以在使用时还是遇到了不少的困难，通过与同学的研究也收获了不少。在分析之余，自己也用ug画了一遍图形，感觉最难的地方就是油孔和曲柄臂的切削。通过这几天的课程设计，自己也收获到了很多，有些事情是急不来的，只有慢慢摸索，对于ansys也了解了不少，感觉这个软件真的很强大，也很有用处，以前用过fluent进行数值模拟，它主要是做液体方面的，而ansys是分析固体的，所以每个软件都有他的独到之处，以后还要用心学习，也希望我们自己国家能设计出这样的软件，方便大家的使用。

参考资料

[1]周龙保．内燃机学．北京：机械工业出版社，2012.1

[2]袁兆成. 内燃机设计.北京： 机械工业出版社，2012.1

[2]龚曙光．ANSYS软件在应力分析中的运用．2001（7）：21-23.         

2013年1月18日