【導(dǎo)讀】于支承跨距短，曲軸內(nèi)彎矩小些，軸頸尺寸就相應(yīng)可小些，又可降低軸承摩擦損失。會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)長度增加的問題。其曲柄兼作裝滾柱軸承的主軸頸，結(jié)構(gòu)緊湊剛度好，而且用同一曲拐可裝配成不同。但是其加工面多，制造精度要求高，滾動(dòng)軸承貴，還限制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高。多數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用鍛鋼曲軸。汽油機(jī)和非增壓柴油機(jī)一般用45號鋼，增壓柴油。機(jī)則有用合金鋼的。45號鋼曲軸至少要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理以提高材料的機(jī)械性能，各軸頸表。面還要進(jìn)行感應(yīng)淬火處理以提高耐磨性。淬火工藝應(yīng)仔細(xì)控制，在圖紙上應(yīng)標(biāo)明淬火區(qū)。所有軸頸表面和圓角、

　　

【正文】 由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)平衡塊、通油孔、倒角等特征予以忽略在網(wǎng)格劃分方面，六面體網(wǎng)格比較容易實(shí)現(xiàn)壁面處的正交性，它的計(jì)算精度高，計(jì)算速度快，但是對型面逼近較差，如果造型曲面比較復(fù)雜建議采用四面體劃分 。 四面體網(wǎng)格生成網(wǎng)格方便，逼近型面程度高，但是計(jì)算精度不高，生成的網(wǎng)格數(shù)量很大，所以計(jì)算量較大。 為了提高有限元計(jì)算的精度，采用四面體實(shí)體單元作為基本離散單元建立有限元分析模型。 進(jìn)行有限元分析時(shí)，單元 網(wǎng)格的劃分及所采用單元的大小直接影響計(jì)算的精度。根據(jù)本車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及大小，我們在建立有限元分析模型時(shí)，大部分單元采用 5mm 5mm的四面體實(shí)體單元，稱為一般單元。在特殊結(jié)構(gòu)，如連接部分和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方，采用 2mm 2mm 左右的四面體實(shí)體單元，稱為細(xì)化單元。 第 23 頁 共 34 頁 第 四 章 汽車曲軸 疲勞壽命 分析 三維有限元建模 本文采用的曲軸型號是 WR7203，四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸總長為 毫米，結(jié)構(gòu)不對稱。有限元建模采用三維模型，邊界條件及載荷都盡量逼近實(shí)際情況。 如圖 41所示 : 圖 41 曲軸三維模型 曲軸載荷的分析和處理 由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)潤 滑 較好，因此在計(jì)算時(shí)忽略機(jī)構(gòu)摩擦阻力，作用在曲軸上的力主要考慮缸內(nèi)氣體 壓力、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力和功率輸出端的扭矩。 由發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖和 上 述的動(dòng)力學(xué)計(jì)算公 式，分別計(jì)算出缸內(nèi)氣體通過連桿作用于曲拐上的力、活塞和連桿的慣性力在曲拐上產(chǎn)生的力。曲軸自身的慣性力由有限元程序自動(dòng)生成，均勻加到節(jié)點(diǎn)上。輸出功率端的扭矩簡化為加在 整個(gè)曲軸上的扭矩 .對于曲柄銷所受的缸內(nèi)爆發(fā)壓力及活塞連桿的慣性作用力，根據(jù)以往較為成功的方法，假 定壓力分布規(guī)律為載荷沿軸向按 水平 線規(guī)律分布，沿軸頸圓周方向 0120 。 見其約束邊界圖 42與載荷邊界圖 43。 圖 42 曲軸約束邊界圖 圖 43 曲軸載荷邊界圖 有限元網(wǎng)格劃分 AutoGEM 是 Automatic Geometric Element Modeling 縮寫，即為自動(dòng)網(wǎng)格劃分器。通常在 Pro/MECHANICA的分析任務(wù)中，由它自動(dòng)完成對幾何模型的有限元網(wǎng)格劃分工作 。 WR203 曲軸的第 三 曲柄銷靠近曲軸的功率輸出端．所受扭矩較大，并且對實(shí) 際使用中斷裂的曲軸統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大部分?jǐn)嗔咽鹿识及l(fā)生在該處圓角。因此，對曲軸 第 25 頁 共 34 頁 的應(yīng)力分析主要是關(guān)心該處的應(yīng)力分布并將該處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化 為了較精確地考慮油孔的影響，對油孔周圍的網(wǎng)格也進(jìn)行了細(xì)化 ， 系統(tǒng)顯示出網(wǎng)格劃分信息，由圖 44所示。由此信息可知共劃分為 14087 個(gè)四面體網(wǎng)格單元 。Min Edge Angle: 。 Max Edge Angle:。 Max Aspect Ratio:。 如圖 44 曲軸網(wǎng)格圖 物性材料的定義 在使用 Pro/MECHANICA進(jìn)行分 析前，必須先定義模型的材料特性。經(jīng)常用到的材料特性主要有以下幾項(xiàng)： ★ 密度； ★ 楊氏模量； ★ 泊松比； ★ 熱膨脹系數(shù) 。 本論文中分析的 曲軸所用的材料是 42CRMO，其極限強(qiáng)度為 1020MPa，其他的性能如下表 ： 表 41 材料的物化性 MODULUS OF ELASTICIY +08 POISSONS RATIO MUSS DENSITY SHEAR MODULUS +07 COEFICIENT OF THERMAL THERMAL CONDUCTIVITY +04 THERMAL EXPANSION REFRE +01 YIELD STRESS +05 CONVECTIVE FILM COEFFICIENT 0 AREA FACTOR 1 EMISSIVITIY 1 三維有限元計(jì)算結(jié)果 對整個(gè)曲軸進(jìn)行分析， 同樣 在對 WR203 曲軸賦予 42CRMO 材料的物性定義，約束 X、Y、 Z方向的自由度， X、 Y 方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，定義 Z軸方向的 500N﹒ mm 扭矩 和沿著曲柄圓周方向的壓力載荷為 300MPa 時(shí)，整個(gè)曲軸的應(yīng)力云圖為： 如圖 45 曲軸應(yīng)力云圖 曲柄圓角處應(yīng)力最大 +02 第 27 頁 共 34 頁 由圖 45中顯示可知，在曲拐圓角處紅色區(qū)域所受的應(yīng)力最大，達(dá)到 ，蘭色區(qū)域顯示的應(yīng)力最小，其應(yīng)力值為 。 圖 46 曲軸變形圖 由圖 46 中顯示可知，在曲柄銷處紅色區(qū)域所受的變形量最大，達(dá)到. 同樣 在對 WR203 曲軸賦予 42CRMO 材料的物性定義，約束 X、 Y、 Z方向的自由度， X、Y方向的轉(zhuǎn) 動(dòng)自由度，定義 Z軸方向的 500N﹒ mm扭矩和沿著曲柄圓周方向的壓力載荷為500MPa 時(shí)，整個(gè)曲軸的應(yīng)力云圖 如圖 47 所示 ： 最大變形處發(fā)生在曲柄銷處最大變形量為 表 43 曲軸靜力分析 曲柄銷所受載荷 (MPa) 輸出端扭矩 (Nmm) 最大應(yīng)力發(fā)生處 最大應(yīng)力值 (MPa) 最大變形發(fā)生處 最大變形量(mm) 300 500 曲柄銷的圓角處 799 曲軸功率輸出端的曲拐 350 550 同上 816 同上 400 550 同上 843 同上 450 600 同上 870 同上 圖 412 曲拐變形圖 當(dāng)把曲柄上的壓力加大至 500MPa 時(shí)，其變形量相較于前一種會(huì)發(fā)生顯著的變化，如下圖可知最大的變形在紅色區(qū)域，達(dá)到 圖 413 曲拐變形圖 變形最大處 第 29 頁 共 34 頁 圖 414 曲拐應(yīng)力云圖（ r=2mm） 應(yīng)力最大處 圖 417 疲勞壽命（ Log Life） 疲勞破壞前的加載循環(huán)數(shù)，通常以指數(shù)形式給出 ： 表 45 疲勞壽命 發(fā)生處 疲勞壽命 圓角處 6E+08 曲柄銷 2/3 處 +08 曲柄銷 1/2 處 +08 其他 +09 第 31 頁 共 34 頁 圖 418 疲勞壽命可信任度（ confidence of Life） 疲勞壽命可信任度 ，是用計(jì)算得到的疲勞壽命和目標(biāo)疲勞壽命的比值表示，該值越大，表示疲勞壽命的可信任度越高： 表 46 疲勞信任度 疲勞壽命可信任度 比值 圓角處 1 曲柄銷 2/3 處 2 曲柄銷 1/2 處 其他 3 圖 419 安全系數(shù) (Factor of Safety) 安全系數(shù) ，如果計(jì)算得出的疲勞壽命比目標(biāo)壽命長，則計(jì)算出根據(jù)輸入載荷的許用安全系數(shù) 第 33 頁 共 34 頁 第 五 章 結(jié)論 [1] 通出版社 [2] 內(nèi)燃機(jī)原理 . 西安交通大學(xué)出版社 [3] 濮良貴 紀(jì)名剛 . 機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版） .高等教育出版社 [4] 楊可楨 程光蘊(yùn) . 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（第四版） . 高等教育出版社 [5] 戴向國 唐海燕 . PRO/ENGINEER 2020 入門與提高 . 人民郵電出版社 [6] 林清安 .PRO/ENGINEER 2020 零件設(shè)計(jì)高級篇（上下冊） . 清華大學(xué)出版社 [7] 蔡穎 薛慶 . CAD/CAM原理與應(yīng)用 . 機(jī)械工業(yè)出版社 [8] 黃汽弛 . 汽車專業(yè)英語 . 機(jī)械工業(yè)出版社 [9] 方世杰 . 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì) . 機(jī)械工業(yè)出版社 [10] 劉鎮(zhèn)昌 . 機(jī)械工程英語 . 機(jī)械工業(yè)出版社 [11] 張軍 . 柴油機(jī)連桿有限元分析 . 華北工學(xué)院 [12] 榮先成 王洪軍 . 有限元法 . 西南交通大學(xué)出版社 [13] 張洪武 . 有限元分析與 CAE 技術(shù)基礎(chǔ) . 清華大學(xué)出版社 [14] 江克斌 屠義強(qiáng) 邵飛 . 結(jié)構(gòu)分析有限元原理及 ANSYS 實(shí)現(xiàn) . 國防工業(yè)出版社 [15] 姚衛(wèi)星 . 結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析 . 國防工業(yè)出版社 [16] 陸際清 沈祖京 孟嗣宗 .汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 [17] 高秀華 李炎亮 機(jī)械三 維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)仿真技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 [18] 張繼春 徐斌 林波 Pro/ENGINEER 結(jié)構(gòu)分析 機(jī)械工業(yè)出版社 [19] 李世國 李強(qiáng) Pro/ENGINEER 中文版范例教程 機(jī)械工業(yè)出版社 結(jié)束語