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曲轴设计docx
摘要
曲轴是汽油机的重要零件，其强度和刚度直接影响到整机的工作性能。
因为曲轴的结构形状比较复杂，曲拐的受力又在发生周期性的变化，所以运用经典力学对其进行强度和刚度计算有一定的困难。
计算机技术的飞速发展使得有限元法在曲轴的强度、刚度计算中得到了广泛应用。
因此，本次设计中对6V150柴油机整体曲轴运用Pro/e建立了符合实际情况的三维模型，导入Ansys对其进行了有限元分析，分析了整体曲轴的受力，并且对曲轴单拐有限元模型的应力状态进行了研究，为曲轴的优化设计提供一定的参考依据。
关键词：
曲轴，有限元，静强度分析，多体动力学
ABSTRACT
Thecrankshaftisanimportantpartofthegasolineengine.Itsstrengthandrigidnesshavedirectinfluenceuponthepropertiesofthewholemachine.Sincethestructureandtheshapeofthecrankshaftarecomplicatedandtheloadsvaryperiodical,itisdifficulttocalculateitsstrengthandrigidnessusingclassicalmechanics.Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,FEMiswidelyusedinthefieldofstrengthandrigidnessanalysisofthecrankshaft.
So,Thisdesignsetupathree-dimensionalmodelof6V150dieselenginecrankshaftcorrespondingtothepracticalconditionsbyPro/e,andthencarryoutthefiniteelementanalysisofthecrankshaftbyAnsys.Thestressofboththewholecrankshaftandthesinglecrankwerestudiedthereforethevaluabletheorybasisisprovidedforoptionaldesign.
Keywords:
Crankshaft;FEM;StaticStrengthAnalysis;ModalAnalysis;Multi-bodySystemdynamicAnalysis
1绪论
1.1曲轴组设计背景
伴随着汽车工业的发展，我国的发动机曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很快的发展。
曲轴在发动机中是承受载荷传递动力的重要零部件，也是发动机五大零部件中最难以保
证加工质量的零部件，其性能水平直接影响发动机的性能水平及可靠性。
因此，各工业发达国家十分重视曲轴的生产，不断改进其材质及加工手段，以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。
近几年来，国内曲轴加工发展十分迅速。
尤其是大功率柴油机曲轴。
曲轴是发动机中最重要的机件之一。
它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整休尺寸和重量，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起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构设计改进中，曲轴的设计改进也占有重要地位。
随着内燃机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻。
因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果⑴。
1.2曲轴组设计的国内外现状
曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，在发动机五大件中最难以保证加工质量。
由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。
如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。
世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。
随着WTO的加入，国内曲轴生产厂
家已经意识到形势的紧迫性，弓I进了为数不少的先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴的制造技术水平有了大幅提高，特别是近5年来发展更为迅猛。
随着科学技术的进步，对曲轴强度的核算已经从早期的经验计算发展到应用有限元分析上来。
在核算曲轴强度的过程中简支梁单拐的计算基本上已经淘汰不用，而应用连续梁与有限元计算相结合的方法是普遍分析计算的手段。
应用有限元计算模型计算出曲
轴的应力集中系数，避免以往使用经验图表计算应力集中系数产生的误差和计算方法本身的误差。
使计算分析结果更加贴近实际的曲轴的工作情况。
有限元技术的发展使计算复杂形状曲柄的刚度变得简单和准确起来，这改变了以往
计算产生的误差，而PRO/E等三维软件的使用，使整个当量系统的质量计算更加贴近实际。
有限元软件的应用大大提高了轴系分析的精度。
但以上的分析还未冲破传统、经典的分析范畴。
国外目前著名的发动机咨询公司AVL、RICARDO都开发了专门的发动机
整机分析软件，把整个发动机作为一个整体的模型进行计算分析，缸体、曲轴、轴承等部件作为弹性体，用有限元计算出其刚度矩阵输入计算模型从而计算出整个发动机的安全系数、油膜情况，发动机整机振动、曲轴的扭转振动、弯曲振动及各零部件的振动模态。
而国内的这方面的工作才刚刚开展⑵。
在曲轴的设计上国内的学者也一直在做着努力，例如：
王小臣老师以16V240柴油机曲轴为例,在PRO/E中进行三维实体建模；利用有限元分析软件ANSYS分析了曲轴的变形和应力状态并校核了曲轴的静强度与疲劳强度，为柴油机曲轴的结构优化设计提
供了有价值的参考依据⑻。
华北工学院张保成，苏铁熊,董小瑞老师研制一套先进的曲轴组CAD集成系统,应用于曲轴组零部件设计的全过程，为发动机曲轴的研制提供先进、实用、现代化的手段和工具。
该曲轴组CAD集成系统通过对国内外典型CAD软件的分析和评价，最终选择了I2DEASMasterSeries作为CAD支撑软件，以VC++6.0为接口编程语言,系统的开发平台选择了WindowsNT网络操作系统⑷。
1.3研究的目的和意义
曲轴是发动机中的重要零件，工作环境恶劣，特别是对于车用柴油机来说，曲轴的加工精度和韧度、强度要求都比一般零件高。
正是因为曲轴质量的好坏对柴油机的性能产生着直接的影响，我国柴油机主机企业基本上都自制曲轴。
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。
正确合理的曲轴设计对发动机运行性能有着重要的影响［5］。
1.4说明书涉及的主要内容以及各章节的分配
根据本次设计的要求，本说明书的主要内容包括以下三方面：
1•在考虑气体载荷和惯性力载荷的情况下对曲柄连杆机构进行受力分析。
2•在分析单拐受力状态的基础上，设计满足该机型的曲轴组（包括曲轴、平衡重）。
3•采用有限元分析法对所设计的曲轴结构进行强度校核计算，最终确定符合强度要―求的曲轴。
各章节的内容的分配及所相关理论知识概述：
第一章绪论简要介绍曲轴设计背景、国内外现状、研究目的及意义。
第二章主要分析了曲柄连杆机构受力的情况，以及作用在曲柄销和主轴颈上的作用力，本章内容主要涉及的理论知识有曲柄连杆机构的运动学和动力学。
第三章主要是对本次设计曲轴的工作条件的分析、结构型式的设计和材料的选择，
本部分主要完成了曲轴各部分结构尺寸的确定和曲轴三维图及二维图的绘制。
第四章对所设计的曲轴进行了强度的校核，其中运用了Ansys软件，对所建立的模型进行有限元的分析。
本部分简要对有限元分析法以及Ansys软件做了简要的介绍。
完整的描述了分析的整个过程，并根据分析所得的结果最终确定符合强度要求的曲轴。
2曲柄连杆机构的受力分析
2.1原始数据
机型一150柴油机；气缸直径D—150mm；曲柄半径R—80mm；连杆长度L—300mm；气缸中心距L0—184mm；
活塞组质量mp—5.011kg;连杆小头质量m〔一1.862kg；连杆大头质量m2—4.053kg；气标定转速n—2200r/min；发火顺序L1-R1-L2-R2-L3-R3；
曲轴所受最大压力载荷一186078N;曲轴所受最大拉伸载荷一36785N
2.2曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构的任务是将活塞A的往复移动转化为曲柄OB的旋转运动。
在往复活塞式内燃机中基本上采用三种曲柄连杆机构：
中心曲柄连杆机构，偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构。
在三种曲柄连杆机构中，中心曲柄连杆机构在内燃机中应用最广泛。
机构简图如图
1—1所示。
它在运动时，活塞A作往复直线运动，曲柄OB作旋转运动，连杆AE作平面复合运动。
研究曲柄连杆机构运动学的重点是研究活塞的运动规律，因为曲柄的运动状态比较简单，连杆的运动虽然较复杂，但可把它看成一部分随活塞A运动，另一部分随曲柄销B运动，其运动所引起的其他后果对我们所研究的问题影响较小⑹。
当〉=00时，对应的A'和B'表示活塞和曲柄销在上止点位置；当:
=1800时，对应的A"和B"表示活塞和
角，逆时针为正、顺时针为负
F面分别研究曲柄、活塞和连杆的运动规律
图2-1曲柄连杆机构运动学分析简图
1.曲柄运动
现代内燃机的曲柄回转角度变化很小，通常近似地认为内燃机中曲柄是作匀速转
动的，其转角:
-:
2：
n二n丄
:
-二1=——t，
6030
式中：
t——时间，
n――内燃机转速（转/分）。
角速度：
一主二二匕Qrad/s嘟数
dt3030
因为认为曲柄是作匀速转动，所以•’一个参数就确定了曲轴的运动状态。
2.活塞运动分析
从图可知，活塞位移x：
x二AA二AO-AO=AQ-（COAC）=（LR）-（Rcos：
Leos）
（2-1）
（2-2）
令曲柄半径与连杆长度的比值为r=R）。
•称为连杆比'它是影响内燃机结构的
一个极为重要的参数，现代内燃机的■值一般为1/3〜1/5
a=R■2（co：
s1cos2）
3.连杆运动分析
（2-8）
（2-9）
连杆摆角位移：
：
=arcsin（■sin〉）
2.3曲柄连杆机构动力学
从动力学来说，内燃机的基本作用力源有两个：
1、气缸内的气体压力，这是内燃机中主要力源；
2、由于曲柄连杆机构运动时产生的惯性力，它与各运动部件的质量成正比。
在曲柄连杆机构动力学的分析中主要以以上两个力源为基础进行一系列的计算，以下是该柴油机实际工作时曲轴在极限情况下的受力及转动角度情况：
受最大压力载荷Pgmax—186078N；
曲轴所受最大拉伸载荷Pjmax—36785N
压力最大时曲轴转过的角度为366，可得曲柄转角〉=6
此时气缸内气压值为Pmax=12.96Mpa
曲柄连杆机构中力的传递情况及作用效果分析简图如下所示:
图2-2力的传递情况
图2-3作用在机体上的力和力矩
2.3.1气体压力:
缸内气体压力计算公式:
2
二D
Pg（P-P）
4
活塞销处的总作用力：
P广PgPj（N）
由上公式计算出最大的气体压力：
Pgmax二P^max-Pjmax=186078+36785=222863N
2.3.2往复惯性力：
往复质量：
mj=mPm=5.011Kg1.862Kg=6.873Kg
最大往复惯性力：
2
Pjmax一-mjamax一-mjR■（cos：
：
£亠八cos2：
）--36785N
曲轴所受最大压力载荷：
P币ax=Pgmaxpjmax-222863N-36785N=186078N
2.3.4离心惯性力：
回转总不平衡质量mr:
（2-12）
（2-13）
（2-14）
（2-15）
（2-16）
（2-17）
mr=mkm2
离心惯性力Pr:
2
Pr=mrR■（N）
（2-18）
（2-19）
2.3.5总作用力P］的传递
对于曲柄连杆机构的受力分析，这里只讨论曲轴在受力最大情况时，曲柄销的受力情况以及所受力的传递情况。
图2—2和图2—3是曲柄连杆机构中力的传递情况以及作用在机体上的力和力矩情况的示意图，以下是传递力的具体计算过程：
1、沿连杆的力K
K二PJcos：
（N）J86150N（2-20）
2、汽缸壁的侧压力N
N二P「tan：
（N）=5197N（2-21）
3、力沿连杆传递到曲柄销中心得力K'（K'=K）
该力又可分解为垂直于曲柄的切向力T
si+P）
T=Ksin:
（：
=）PN=）246N19（2-22）
-cos
沿曲柄半径的径向力Z
cosX+P）
Z二Kcos：
（：
今PN=）1845NI5（2-23）
-cos
径向力Z沿曲轴半径传递到曲轴中心Z'=Z,同时，在曲轴中心线上作于切向力T平行且大小相等方向相反的的力T'、T"。
这样就将力T分解为作用在曲轴中心的一个力T"和由T'、T"形成的力偶M1。
作用在主轴承上，力偶使内燃机曲轴得以克服外界阻力矩而旋转，其值为：
sin（a+P）/、
M1二TR二PtR147561N（2-24）
-cos-
T〃力和Z'力的合力成为作用在主轴承上的力K〃，其值与K'、K相等，方向也与K'、K相同。
将K〃进一步分解为沿气缸中心线的力P和垂直于气缸中心线的力N并有：
cos
（2-26）
N=Ksin：
=Ksin：
=R-tan：
=N
3曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择
3.1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）共同作用下工作的，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米用减振措施.这种情形很少发生）。
曲轴破坏的统计分析表明，80%左右是由弯曲疲劳产生的。
因此，曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳强度。
曲轴形状复杂、应力集中现象相当严重，特别在曲柄至轴颈的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象尤为突出。
图3-1为曲轴应力集中示意图，疲
劳裂纹的发源地几乎全部产生于应力集中最严重的过渡圆角和油孔处。
图3-2表明曲轴
弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏的情况。
弯曲疲劳裂缝从轴颈根部表面的圆角处发展到曲柄上，基本上成45°折断曲柄，扭转疲劳破坏通常是从机械加工不良的油孔边缘开始，约成45°折断曲柄销，所以在设计曲轴时要使它具有足够的疲劳强度，特别要注意强化应力集中部位，设法缓和应力集中现象，也就是采用局部张化的方法来解决曲轴强度不足的矛盾⑺。
图3-1曲轴的应力集中图3-2曲轴的两种疲劳破坏
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。
这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体摩擦，尤其当润滑油不洁净时，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，设计曲轴时，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。
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，轻则引起噪音，加速曲轴齿轮等传动件的磨损，重则使曲轴断裂。
所以，在设计曲轴时，应保证它有尽可能高的弯曲刚度和扭转刚度⑹。
所有这些要求，在高速内燃机的条件下，都应该在轻的结构重量下实现。
同时随着内燃机的不断发展，各项指标的强化，曲轴的结构也应留有发展的余地。
不难看出，上述强度、刚度、耐磨、轻巧的要求之间是存在矛盾的。
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，降低了轴承工作的可靠性。
此外，曲柄销的增大，使得连杆大头以更大的比例加大加重，轴承的离心负荷加大。
曲柄销加大带来的曲轴连杆系统旋转质量的加大，可能使刚度对扭振带来的好处得而复失。
正是这些内在的矛盾推动着曲轴设计的发展，而在曲轴强度矛盾的总体中，应力集中处的最大应力与该力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，必须辩证地进行分析，在设计曲轴时，不应只注重结构尺寸的设计一个方面。
由于曲轴受力复杂，几何断面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反映客观实际的理论公式可供通用。
因此，目前曲轴的设计还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、曲轴样品试验，最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等［8］。
3.2曲轴的结构形式
曲轴的结构与其制造方法有直接关系，在进行曲轴结构设计时必须同时考虑。
曲轴分整体式和组合式两大类：
（一）整体式曲轴
整体式曲轴的结构是整体的，它的毛坯由整根钢料锻造或用铸造方法浇铸出来。
整体式曲轴具有工作可靠、重量轻的特点，而且刚度和强度较高，加工表面也比较少，是中小型发动机曲轴广为应用的结构型式。
只要工厂有条件制造，设计上总是尽量采用整体结构。
但是，当曲轴尺寸较大，曲拐数较多时，这种曲轴的加工比较困难，需要用大的专用设备，而且某一部分因加工不合格或使用中损坏时，整根曲轴便要报废。
整体式曲轴一般与滑动轴承相配合。
但是，单缸发动机的整体式曲轴却往往与滚动
轴承配合，借以提高机械效率和降低对轴承的润滑要求。
（二）组合式曲轴
组合式曲轴是把曲轴分成很多便于制造的单元体，然后将各部分组合装配而成。
按划分单元休的不同，又可分为全组合式曲轴与半组合式曲轴，
大功率柴油机和小型二冲程发动机上常采用这种组合式结构的曲轴。
因为大功率柴
油机的曲轴粗而长，采用整体式结构则加工困难，有的甚至不可能。
此外，还有一种盘形组合曲轴，这种类型。
它的结构特点是采用球墨铸铁作曲轴材料，把圆盘形曲柄兼作主轴颈，采用滚动轴承作为主轴承。
把单位曲拐制成后用螺栓紧固联成一根曲轴。
扭矩的传递主要依靠结合面之间的摩擦力。
这种曲轴的主要优点是：
曲柄兼作主轴颈，可使柴油机的总长度减小；当增加曲柄销宽度，改善连杆大头轴承的工作条件，利于发展V型并列连杆系列产品：
因主轴颈很大，使轴颈重叠度增加很多，因而曲轴刚度大，自振频率高，扭振应力小；由于各缸单位曲拐结构相同，用几个相同的曲拐就可以装配成不同缸数的曲轴，这就简化了曲轴的生产，有利于产品系列化，而且，在使用中任何一个曲拐有缺陷或损坏时，可以单独更换，不必将整根曲轴报废，采用滚动轴承摩擦损失小，机械效率高，寿命较长，在非增压柴油机上它的寿命可达1500小时。
圆盘形组合曲轴的缺点是：
滚动轴承的采用要消耗大量合金钢材，成本约贵九倍。
而且滚动轴承比滑动轴承要重得多，噪音大，拆装也不方便；这种曲轴要求隧道式机体，虽然机体的刚性较好，但比一般机体要重，结构复杂，有很多结合面，只有在高的制造精度的前提下，才能保证装配后曲轴的积累误差仍在正常规定范围内。
根据150系列柴油机的工作情况以及毕业设计要求，本次设计的6V150柴油机曲轴组的曲轴采用圆盘式滚珠轴承的整体曲轴。
3.3曲轴的材料
在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。
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、耐衰老性和冲击韧性。
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。
锻造曲轴的材料有碳素钢和合金钢。
碳素钢的弹性模数与合金钢相近，在刚度方面两种材料的曲轴并无多大差别。
合金钢的强度虽比碳素钢高，但对缺口的敏感性很强，因而对机械加工要求严格。
无论在材料价格还是生产费用上碳素钢都要便宜得多。
所以在汽车拖拉机发动机和农用内燃机这
一类强化程度一不太高的中高速内燃机上，广泛采用中碳钢45（精选含碳量为0.42—-
0.47%）模锻曲轴。
例如，CA-72型发动机的曲轴和CA-I0B型发动机的曲轴均属于这类曲轴。
模锻曲轴的自由表面（如曲柄表面）一般不进行机械加工，这使加工工艺简化。
但曲轴于锻造后应进行第一次热处理（退火或正火），其目的是消除金属中的内应力和降低硬度以便于机械加工。
在精磨前应进行第二次热处理（调质）以改善钢的机械性能并提高轴颈表面硬度。
对轴颈表面、圆角和油孔边缘均应抛光，以提高曲轴的疲劳强度。
先进的连续纤维挤压锻造曲轴的出观，使强度较白由锻提高20%。
强化程度高的中、高速机车柴油机和航空发动机，对尺寸、重量及安全运转方面都有严格要求。
为得到足够的疲劳强度以确保工作可靠，一般多采用具有优异综合机械性能的含Cr、Ni、Mo、V、W等合金元素的优质合金钢作为曲轴材料。
合金钢不但对缺口的敏感性很强，对热处理要求也相当严格，因为其优良的性能只有在恰当的热处理及良好的加工条件下才能发挥出来。
这时，整个曲轴表面包括非配合表面也应抛光到很高的光洁度，以免应力集中。
在结构形状设计中也应特别注意避免和减轻应力集中的可能性。
近年来，我国自行发展的含Si、Mn、B、Mo、W、V等元素的无镍铬合金钢，已成功地用来制造高指标柴油机曲轴⑹。
根据以上对不同材料的分析比较以及本次设计的各方面要求，在参考各类相关文献
资料后，最终确定本次设计曲轴组的各部分材料选择如下表所示：
区域
材料
弹性模量
（GPa）
泊松比
密度
（kg/m3）
抗拉强度
（Mpa）
屈服强度
（Mpa）
曲轴
42CrMo
218
0.28
7.82x103
1134.3
833
平衡重
42CrMo
218
0.28
7.82x103
1134.3
833
表3-1曲轴组的各部分材料选择表
3.4曲轴主要尺寸的确定和结构设计
已知尺寸：
气缸直径D—150mm；曲柄半径R—80mm；气缸中心距L。
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