【正文】 繼而導(dǎo)致曲軸斷裂。而曲軸一旦失效，就可能引起其他部件隨之破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，對(duì)多缸柴油機(jī)整體式曲軸，如何比較準(zhǔn)確地得到危險(xiǎn)載荷下曲軸應(yīng)力、變形的大小及其分布，對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。鑒于曲軸在使用上的重要性，宜用較先進(jìn)的計(jì)算方法，如有限元方法作些分析，以了解曲軸是否存在沒計(jì)上的明顯缺陷。傳統(tǒng)的多缸機(jī)曲軸應(yīng)力及變形計(jì)算，一般采用連續(xù)梁簡(jiǎn)化模型，但精度不夠高，大型有限元軟件應(yīng)是高精度計(jì)算的首選。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用CATIA及ANSYS，采用有限單元法對(duì)6108柴油機(jī)單個(gè)曲軸建立的三維有限元模型；模擬曲軸真實(shí)的邊界條件，計(jì)算了危險(xiǎn)載荷下曲軸的應(yīng)力和變形狀態(tài)，校核了曲軸在危險(xiǎn)載荷下的疲勞強(qiáng)度，為其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了一定參考[17]。 曲軸有限元模型 模型的建立及網(wǎng)格的劃分本次分析選取以上設(shè)計(jì)的6108型柴油機(jī)曲軸為對(duì)象，主軸承為全支承結(jié)構(gòu)。本次分析采用單拐模型，認(rèn)為其他曲拐上的力對(duì)這一曲拐沒有影響。由于曲軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果實(shí)體建模時(shí)把各種小的倒角和圓角以及油孔都考慮進(jìn)去，在劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)非常復(fù)雜，并且會(huì)產(chǎn)生許多不良的單元。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，曲軸受力最大處在連桿軸頸和主軸頸過渡圓角處。考慮到這些因素，在對(duì)曲軸實(shí)體建模時(shí)忽略小的倒角和圓角以及油孔，分析僅考慮主軸頸、曲軸軸頸與曲拐連接處的過渡圓角。利用CATIA就曲拐模型劃分網(wǎng)格。 有限元分析單拐模型 曲軸有限元網(wǎng)格劃分模型 曲軸載荷狀況的分析與處理曲軸在工作時(shí)承受缸內(nèi)的氣體壓力、往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力和功率輸出端的扭矩。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，曲軸在受到最高爆發(fā)壓力時(shí)的應(yīng)力和變形最大，本次分析取發(fā)火時(shí)刻進(jìn)行分析計(jì)算。由于曲軸主要是因彎曲而破壞的，為簡(jiǎn)便起見，對(duì)發(fā)火的氣缸，可假設(shè)當(dāng)活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)連桿軸頸載荷達(dá)到最大值，對(duì)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)只需考慮各個(gè)氣缸分別處于壓縮終了活塞在上止點(diǎn)位置時(shí)的受力狀況即可。載荷沿連桿軸頸軸線方向按二次拋物線規(guī)律分布；沿軸頸圓周120O角范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布。其中加載方程為： ； 連桿軸頸壓力分布示意圖 邊界條件的處理由于主軸頸受到軸承支持力的作用，可對(duì)主軸頸的處理上采用約束方案，即在主軸頸表面上的部分節(jié)點(diǎn)施加徑向約束。本設(shè)計(jì)中將主軸承對(duì)曲軸的支承視為固定支承，認(rèn)為支撐力在曲軸縱向?qū)ΨQ面內(nèi)沿主軸頸兩面均勻分布。，設(shè)支撐力均分在曲軸縱向?qū)ΨQ面內(nèi)主軸頸中截面左右的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)上，通過前面的計(jì)算可知支撐力的大小為：N。 加載到曲柄銷上的力為K=。 計(jì)算結(jié)果分析根據(jù)以上的方式加載力以后，我們可以得到單個(gè)曲拐應(yīng)力分布云圖。根據(jù)應(yīng)力分布云圖，不難看出，應(yīng)力主要集中在主軸頸與曲柄臂過度圓角處以及曲柄銷與曲柄臂過度圓角處，這和前面的分析是吻合的。 單個(gè)曲拐應(yīng)力分布云圖 與此同時(shí)，為了更進(jìn)一步了解曲軸中應(yīng)力的分布狀況，我們可以得出曲軸的等值線應(yīng)力圖。 曲軸等值線應(yīng)力分布圖曲軸的變形導(dǎo)致磨損增加、受力不均，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致配氣機(jī)構(gòu)的紊亂，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行造成很大的危害，也是其破壞的一個(gè)重要原因。因此，曲軸變形量的分布也是曲軸設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的指標(biāo)。在CATIA中，通過參數(shù)的設(shè)定，可以得到曲拐變形量的分布云圖。 單拐曲軸的變形云圖從圖中可以看出，彎曲變形主要集中在曲柄銷、曲柄臂上部，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮這些部位的變形。 結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化通過以上對(duì)單拐曲軸的受力分析，為了在載荷不變的情況下，降低最大彎曲應(yīng)力值，提高曲軸的抗彎強(qiáng)度就應(yīng)設(shè)法降低曲軸應(yīng)力集中效應(yīng)。為了定性的考慮曲柄銷長(zhǎng)度對(duì)圓角處應(yīng)力的影響，在下面討論中，我們保持所有的載荷及主軸頸長(zhǎng)度和曲臂厚度不變的情況下，研究了過渡圓角隨曲柄銷長(zhǎng)度的變化規(guī)律，根據(jù)云圖，我們得出一個(gè)最大圓角應(yīng)力與曲柄銷長(zhǎng)度關(guān)系曲線。由圖中可以看出，隨著曲柄銷長(zhǎng)度的增加，主軸頸處過渡圓角和曲柄銷處過渡圓角應(yīng)力都在增加。曲柄銷的圓角應(yīng)力增加較主軸頸圓角應(yīng)力增加大。因此，在曲軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要盡量的減小曲柄銷的長(zhǎng)度，但同時(shí)也要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的限制以及各種因素的影響，因此要合理的選取曲柄銷的長(zhǎng)度。當(dāng)然，過渡圓角處的尺寸、形狀、表面加工質(zhì)量等對(duì)曲軸應(yīng)力的影響都十分明顯。本文不做詳細(xì)說明。但是根據(jù)前有的研究可以發(fā)現(xiàn)，圓角的加大有助于減小應(yīng)力集中，但是范圍很有限，而且是以縮短主軸頸承壓面積為代價(jià)的。為了解決這個(gè)矛盾，我們可以設(shè)計(jì)變曲率過渡曲線，其中a，b分別為橢圓弧的長(zhǎng)軸和短軸。 最大圓角應(yīng)力與曲柄銷長(zhǎng)度關(guān)系 1/4橢圓弧圓角過渡曲線 結(jié)論1)對(duì)整體曲軸進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，并在此基礎(chǔ)上得到應(yīng)力分布云圖，從圖中找出應(yīng)力比較集中的部位。2）模擬曲軸正常工作時(shí)的受力狀態(tài)，得出曲軸的變形云圖。根據(jù)此云圖，我們可以看出設(shè)計(jì)時(shí)需要加強(qiáng)的部位，為曲軸的改型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3)曲柄臂厚度、過渡圓角、加載載荷都不變時(shí)，隨著曲柄銷長(zhǎng)度的增加，圓角處應(yīng)力值均有所增加。圓角半徑R的增大有助于最大應(yīng)力值的減小，但R增到一定程度時(shí)，減小不明顯，R有一較優(yōu)解。 結(jié)論5 結(jié)論本次設(shè)計(jì)我首先對(duì)6108柴油機(jī)曲軸作了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了常規(guī)的強(qiáng)度校核，求出了曲軸在危險(xiǎn)載荷作用下的安全系數(shù)。并最終完成曲軸的零件圖一張，詳見附件一。本次所設(shè)計(jì)的曲軸的參數(shù)見附件二。然后利用三維實(shí)體建模軟件Creo對(duì)所設(shè)計(jì)的曲軸進(jìn)行了三維實(shí)體建模，曲軸的實(shí)體模型見附件三。然后，按標(biāo)定工況求出曲軸各連桿軸頸的載荷，利用CATIA軟件中的分析模塊，模擬曲軸的力邊界條件和位移邊界條件進(jìn)行了有限元分析，為柴油機(jī)曲軸的改型設(shè)計(jì)提供了一些參考。畢業(yè)設(shè)計(jì)是應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)理論，專業(yè)知識(shí)與技能去分析和解決生產(chǎn)實(shí)際問題的一次綜合訓(xùn)練。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)鞏固、擴(kuò)大和強(qiáng)化了自己所學(xué)到的理論知識(shí)與技能，提高自己設(shè)計(jì)計(jì)算、制圖、編寫技術(shù)文件的能力，學(xué)會(huì)正確使用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等工具書，并在設(shè)計(jì)中培養(yǎng)自己理論聯(lián)系實(shí)際，嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和獨(dú)立工作能力，為畢業(yè)后從事技術(shù)工作打下了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1] 肖永清．談我國(guó)重卡柴油機(jī)高端產(chǎn)品的發(fā)展商機(jī)．[J]．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造．2004．[2] 劉云．車用柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)．[J]．濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)．2005．[3] 王甲聚．TBD234柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)計(jì)算研究．[D]．哈爾濱工程大學(xué)．2008．[4] 曉青．我國(guó)重卡用柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)．[J]．重型汽車．2003．[5] 張洪波．4102系列柴油機(jī)曲軸設(shè)計(jì)與工藝分析．[D]．天津大學(xué)．2003．[6] 張建剛．某型柴油機(jī)曲軸改進(jìn)設(shè)計(jì)．[J]．機(jī)電工程技術(shù)．2009．[7] 劉波．曲軸參數(shù)化建模和有限元分析．[D]．武漢理工大學(xué)．2006．[8] 李波．4V75柴油機(jī)曲軸系設(shè)計(jì)及CAE分析．[D]．湖南大學(xué)．2012．[9] 李偉．基于SINOVATION的曲軸設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)研究．[D] .山東科技大學(xué)．2012．[10] 孫麗．基于Pro/E二次開發(fā)的曲軸設(shè)計(jì)系統(tǒng) .[D] .東北林業(yè)大學(xué)．2005．[11] 本書編委會(huì). 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè). [M] .．[12] . [M] .:188212.[13] 顏波．過渡圓角尺寸對(duì)錯(cuò)拐曲軸強(qiáng)度影響分析. [J] .小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車．2012．[14] 鐘日銘,[M] .．[15] [M] .．[16] 王霄，[M] .．[17] 孫連科，唐斌，薛冬新，.[J] .：54—57． 致謝致謝為期三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束了,這是畢業(yè)之前最后一次也是最為復(fù)雜的一次綜合設(shè)計(jì)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利完成，首先，感謝母校多年來的辛勤培育。其次，要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師。從畢業(yè)設(shè)計(jì)開始直到結(jié)束，無論是在學(xué)習(xí)、工作還是生活中，都得到了老師無微不至的關(guān)懷和精心的指導(dǎo)！也正是老師以其深厚專業(yè)的知識(shí)、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為本課題的設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)和理論依據(jù)，才能是本課題得以圓滿結(jié)束和論文順利完成。本課題從選題、設(shè)計(jì)到編寫完稿，都得到老師的熱情指導(dǎo)，在此向我的老師表示我深切的謝意！。另外，感謝父母對(duì)我的支持和教育，沒有他們的付出就不會(huì)有我今天的收獲，感謝他們對(duì)我這二十多年的培養(yǎng)和對(duì)我無私的關(guān)愛，沒有他們就沒有今天的我。時(shí)間無聲流逝，但友誼可以長(zhǎng)存!借此機(jī)會(huì)向所有幫助和關(guān)心過我的老師和同學(xué)深表感謝! 附錄附錄附件一：6108型柴油機(jī)曲軸零件圖附件二：6108型柴油機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)參數(shù)名稱設(shè)計(jì)參數(shù)備注汽缸數(shù)6壓縮比：1缸徑X行程（mm）108x125總排量（L）標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速（kw/r/min)92/2200最大扭矩/轉(zhuǎn)速（Nm/r/min)463/1400—1600主軸頸D1=L1=d1=d1’=T=主軸頸中有鼓形減重孔。曲柄銷D2=L2=d2=d2’=T=曲柄銷中有鼓形減重孔，且其軸線相對(duì)于主軸頸軸線向外偏心8mm。曲柄臂b=h=平衡重與曲柄臂鑄為一體，其厚度與曲柄臂厚度相同。安全系數(shù)n=附件三：曲軸的實(shí)體模型曲軸的實(shí)體模型