【正文】 宿舍同學(xué)的互幫互助和深厚友誼更是賜予了我研究生生活不可磨滅的記憶。最后，在ANSYS分析過程中，進(jìn)行了模型簡化，若以實(shí)體模型進(jìn)行分析，則計(jì)算機(jī)容易計(jì)算出錯(cuò)。 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)度能達(dá)到要求，扭轉(zhuǎn)作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸應(yīng)力值的影響較小。為模擬止推軸承的作用，可將曲軸左端面靠近軸心的對(duì)稱四個(gè)節(jié)點(diǎn)的Z向位移為0，以防止曲軸沿軸向產(chǎn)生剛體位移【44】。因此，為了較為準(zhǔn)確地計(jì)算曲軸強(qiáng)度和了解曲軸內(nèi)部的應(yīng)力狀況，本文采用曲軸三維整體模型，對(duì)曲軸進(jìn)行靜強(qiáng)度和剛度的有限元分析。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。由以上數(shù)據(jù)可算得=。由《發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)講義》表33可知，=。 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。由列金法，則有圓角彎曲形狀系數(shù)表達(dá)式（）軸段直徑比為2的周對(duì)稱的階梯周扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)。查《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）》圖953可知，當(dāng)=，=；曲軸重疊度的影響系數(shù)。名義平均應(yīng)力（）（）即=。 曲柄銷應(yīng)力曲柄銷所受彎矩隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化，求出它的最大彎矩與最小彎矩，即可得出它的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力。但這種方法在分析時(shí)仍忽略了一些難以控制、然而又非常重要的影響因素，如軸頸與軸承間的工作間隙、主軸頸的偏心、錐度、橢圓度、作用力的形態(tài)等因素對(duì)曲軸應(yīng)力的影響，使得計(jì)算結(jié)果仍不能令人滿意，這種方法也有待進(jìn)一步完善。而軟氮化則是一種鹽浴氮化方法同樣可以大幅度的提高曲軸疲勞強(qiáng)度，且氮化過程短。這種方法是先用高頻電流加熱軸頸表面，隨即噴水冷卻，然后回火以消除殘余應(yīng)力。曲軸后端設(shè)有法蘭或加粗的軸頸，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。本設(shè)計(jì)平衡重采用單獨(dú)制造的方法，這樣的設(shè)計(jì)過程較為簡單，且可以根據(jù)實(shí)際需求改動(dòng)平衡重的設(shè)置【33】。但其缺點(diǎn)是曲柄臂與軸頸過渡處被削弱，降低了曲軸的強(qiáng)度，油道與軸頸的表面交線呈橢圓形，斜角愈大橢圓度愈大，油孔邊緣處的應(yīng)力集中就愈嚴(yán)重，斜線油孔加工工藝復(fù)雜，為避免上述缺點(diǎn)，可從曲柄臂肩部鉆一斜孔，貫通曲柄銷和主軸頸，再在此兩個(gè)軸頸上鉆直油孔接通，最后將曲柄臂肩部孔堵死。曲軸上油道和油孔的設(shè)計(jì)，對(duì)于曲軸軸承的潤滑及曲軸強(qiáng)度都有重要的影響，因此必須十分慎重的選擇油道方案和確定油孔的位置。曲軸圓角半徑應(yīng)足夠大，但是圓角半徑過小會(huì)使應(yīng)力集中嚴(yán)，而圓角半徑的增大會(huì)使軸頸承壓的有效長度減小，因而也會(huì)減小軸承承壓面積。增大曲柄臂的厚度和寬度都可以增大曲柄臂的強(qiáng)度，而從提高曲柄臂的抗彎強(qiáng)度來說，增加厚度比增加寬度效果要好得多【31】。由《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）》表91可知：直列式非增壓柴油機(jī)主軸頸直徑與氣缸直徑之比/～，且=132mm,則=～，根據(jù)以上分析取=。在選擇材料時(shí)，需要根據(jù)內(nèi)燃機(jī)類型、用途及生產(chǎn)條件，確定曲軸毛坯的制造方法。鑄造曲軸常用材料為球墨鑄QT60可斷鑄鐵KTZ70合金鑄鐵及鑄鋼ZG35等。在大型柴油機(jī)上由于曲軸尺寸與重量都較大，整體制造極為困難是，往往采用組合式曲軸。有些汽油機(jī)，承受載荷較小可以采用這種曲軸型式【27】。 曲軸的設(shè)計(jì)要求根據(jù)上述曲軸的損壞形式及其原因，且為避免這些損壞，曲軸在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量滿足以下的要求：，以保證曲軸工作可靠。斷面上自疲勞源起約2/3的面積為貝紋區(qū)，呈暗褐色；剩余l(xiāng)/3的面積為最后斷裂區(qū)，斷面凹凸不平，晶粒明亮。但若同時(shí)存在較強(qiáng)的彎曲應(yīng)力，則裂紋也可自圓角向曲柄臂擴(kuò)展，造成曲柄臂彎曲斷裂。因此，曲軸彎曲疲勞裂紋常發(fā)生在曲軸的中間或兩端的曲柄上。 曲軸的疲勞損壞形式曲軸的工作情況十分復(fù)雜，它是在周期性變化的燃?xì)庾饔昧?、往?fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣性力及其他力矩作用下工作的，因而承受著扭轉(zhuǎn)和彎曲的復(fù)雜應(yīng)力。曲軸的后端用來安裝飛輪，在后軸頸與飛輪凸緣之間制成檔油凸緣與回油螺紋，以阻止機(jī)油向后竄漏。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。損耗積累到一定程度必將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，甚至造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事?，F(xiàn)有的曲軸強(qiáng)度計(jì)算都?xì)w結(jié)為疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算步驟分為以下兩步一是應(yīng)力計(jì)算，求出曲軸危險(xiǎn)部位的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。較合理的模型是用較小的有代表性的一部分來代表整根曲軸，例如用二分之一或四分之一的曲柄來建立計(jì)算模型。有限元法在曲軸的設(shè)計(jì)計(jì)算中有廣泛的應(yīng)用。隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展與強(qiáng)化，曲軸的工作條件愈加嚴(yán)酷了【5】，必須在設(shè)計(jì)上正確選擇曲軸的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合理的尺寸、合適的材料與恰當(dāng)?shù)墓に?，以求獲得滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果【6】。曲軸是內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要組成部分、三大運(yùn)動(dòng)件之一，是主要傳力件。它的功用是把氣缸中所作的功，通過活塞連桿匯總后以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式輸出。由以上所述可以看出曲軸設(shè)計(jì)的重要性。常見的是用以計(jì)算單拐曲鈾在受彎、扭時(shí)各過渡圓角及油孔處的應(yīng)力分布；也常用來計(jì)算曲柄在受彎或扭時(shí)的變形或剛度；偶爾也見用于曲軸連續(xù)梁的計(jì)算，用以計(jì)算支座反力、支座彎矩及曲拐上的名義應(yīng)力【10】。其前提是在適當(dāng)?shù)挠?jì)算時(shí)間內(nèi)獲得足夠的精度，同時(shí)也使力邊界條件和約束邊界條件盡量簡化【12】。二是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷強(qiáng)化，曲軸的工作條件愈加苛刻，保證曲軸的工作可靠性是至關(guān)重要的。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。曲軸的形狀和曲拐相對(duì)位置取決于氣缸數(shù)、氣缸排列和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序。曲軸箱主軸承的不同心度會(huì)影響到曲軸的受力狀況，其次，由于曲軸彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，再加上曲軸形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)變化急劇，產(chǎn)生了嚴(yán)重的應(yīng)力集中。曲軸彎曲疲勞破壞通常是在柴油機(jī)經(jīng)過較長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)之后發(fā)生。 通常扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋發(fā)生在曲輛扭振節(jié)點(diǎn)附近的曲柄上。圓形波紋狀紋理是彎曲疲勞造成的，放射狀紋理是扭轉(zhuǎn)疲勞造成的，兩種紋理交織成蛛網(wǎng)狀。盡量減小應(yīng)力集中，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)；，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；，保證曲軸和軸承有足夠的壽命；，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；，制造方便【26】。鑒于本課題所設(shè)計(jì)的1015柴油機(jī)為四缸，故而動(dòng)機(jī)的總體長度較小。對(duì)于本課題得設(shè)計(jì)，曲軸的尺寸較小及重量較輕，所以選擇整體式的。在強(qiáng)化程度要求不高的內(nèi)燃機(jī)中，一般選用普通碳素鋼，碳素鋼的韌性比合金鋼高，可以降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)振幅。并參考同類近似機(jī)型所用材料，根據(jù)曲軸受力情況和使用習(xí)慣，憑經(jīng)驗(yàn)選取。各主軸頸長度都相等且與氣缸直徑之比/=～，即=～，取=55mm。由《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）》表91可知：曲柄臂厚度與氣缸直徑之比/=～，即=～，取=.曲柄臂寬度與氣缸直徑之比/=～，即=～，取=。為增大曲軸圓角半徑，且不縮短軸頸的有效工作長度，可采用沉割圓角，但設(shè)計(jì)沉割圓角時(shí)應(yīng)注意保證曲柄臂有足夠厚度。將潤滑油輸送到曲軸油道中去的供油方式有兩種：一種是集中供油，即將曲軸內(nèi)部做成中空的連續(xù)孔道，作為內(nèi)燃機(jī)的主油道，機(jī)油從曲軸的一端輸入曲軸，然后經(jīng)曲軸內(nèi)孔串聯(lián)流向各軸承；另一種是分路供油，即機(jī)油從曲軸箱上的主油道并聯(lián)進(jìn)入各個(gè)主軸承，然后通過曲軸的油道再進(jìn)入相應(yīng)的連桿軸承。，油孔由曲柄臂鉆入到主軸頸，再由曲柄臂和主軸頸表面垂直鉆通，這樣的油道布置，工藝較為復(fù)雜，但能夠有效的提高曲軸的疲勞強(qiáng)度。 曲軸兩端和軸向止推曲軸上帶動(dòng)輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)鏈輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，維修方便。定位銷用來保證重裝飛輪時(shí)保持飛輪與曲軸的裝配位置，故定位銷的布置是不對(duì)稱的或只有一個(gè)。但這種方法易引起曲軸變形，工藝也較復(fù)雜，必須嚴(yán)格控制圓角淬火前殘余應(yīng)力，并用特殊淬火劑控制感應(yīng)電流頻率，以減小變形。采用任何一種表面強(qiáng)化法都要防止曲軸變形過大，變形量大了，則必然要用壓力機(jī)進(jìn)行校直，而校直時(shí)難免在圓弧過渡處形成拉伸應(yīng)力集中，從而嚴(yán)重地削弱曲軸的疲勞強(qiáng)度。連續(xù)梁法與實(shí)際接近程度，取決于曲軸和支撐的剛度比，它的正確值只能通過試驗(yàn)才能找到。由圖可見，作用在曲柄平面內(nèi)的力有：燃?xì)庾饔昧?、往?fù)運(yùn)動(dòng)慣性力、連桿大頭離心力、曲柄銷離心力、曲柄臂的離心力及平衡重的離心力等。在計(jì)算曲柄銷的切應(yīng)力時(shí)，首先必須找出曲軸中承受最大扭矩的曲柄。查《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）》圖954可知，當(dāng)=、=，=；曲柄臂寬度的影響系數(shù)。查《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上）》圖962可知，=；曲柄臂寬度的影響系數(shù)。（1）在只考慮彎曲時(shí)，安全系數(shù)為（）式中:對(duì)稱循環(huán)時(shí)，曲軸材料的彎曲疲勞極限。有以上數(shù)據(jù)可算得=。（）則算得=，因而符合要求。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)。 有限元網(wǎng)格的劃分由于曲軸結(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。. 曲軸整體模型計(jì)算結(jié)果分析載入數(shù)據(jù)后，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，根據(jù)這些應(yīng)力的分布。網(wǎng)格的劃分及單元選擇對(duì)有限元分析結(jié)果有較