【正文】 作的可靠性，提高曲軸的剛度。但是，曲柄銷加粗伴隨著連桿大頭加大，使不平衡旋轉質量的離心力增大，隨曲軸及軸承的工作帶來不利，對于汽油機，為氣缸直徑，已知=，則，曲柄銷直徑取為==。曲柄銷的長度是在選定的基礎上考慮的。從增加曲軸的剛性和保證軸承的工作能力出發(fā)，應使控制在一定范圍內，同時注意曲拐各部分尺寸協(xié)調，根據統(tǒng)計/=，取==28。軸頸的尺寸，最后可以根據承壓面的投影面積與活塞投影面積之比來校核，此比值據統(tǒng)計在范圍內，而且汽油機偏下限。那么由，則長度取值合適。 主軸頸的直徑和長度為了最大限度地增加曲軸的剛度，適當?shù)丶哟种鬏S頸，這樣可以增加曲軸軸頸的重疊度，從而提高曲軸剛度，其次，加粗主軸頸后可以相對縮短其長度，從而給加厚曲柄提高其強度提供可能。從曲軸各部分尺寸協(xié)調的觀點，建議取，取==54。由于主軸承的負荷比連桿軸承輕，主軸頸的長度一般比曲柄銷的長度短，這樣可滿足增強剛性及保證良好潤滑的要求。據統(tǒng)計，取==。 曲柄曲柄應選擇適當?shù)暮穸?、寬度，以使曲軸有足夠的剛度和強度。為提高曲柄的抗彎能力，適當增加曲柄的厚度，曲柄的形狀采用橢圓形，為了能最大限度地減輕曲軸的重量，并減小曲柄相對于主軸頸中心的不平衡旋轉質量，將曲柄上肩部多余的金屬削去。根據統(tǒng)計，曲柄的寬度，取，厚度，取。曲柄臂以凸肩接主軸頸和曲柄銷。凸肩的厚度根據曲軸加工工藝決定。~1，取=1。曲柄銷和主軸頸至曲柄臂凸肩的過渡圓角對應力集中程度影響最大，加大圓角半徑可使圓角應力峰值降低，故宜取大，取=3。 平衡重對四拐曲軸來說，作用在第2拐和第4拐上的離心慣性力互成力偶。這兩個力偶大小相等、方向相反，所以從整體上講是平衡的，但是這兩個力偶卻還是作用在曲袖上了，曲軸這兩個對稱力偶的作用下可能發(fā)生彎曲變形。由于曲軸是安裝在機體的主軸承中的，所以曲軸發(fā)生彎曲變形時上述力偶就將也部分地作用在機體上，使機體承受附加彎曲力偶的作用，尤其是在此情況下主軸承的工作條件也要變壞。安裝平衡重，改善曲軸本身和機體的受力情況，尤其改善了主軸承的工作條件。設計時，平衡重對主軸承工作情況的影響是利用主軸頸載荷圖來進行估算的。沒有平衡重時，由于離心慣性力的影響，主軸頸表面所受載荷的分布可能很不均勻，一部分軸頸表面所受載荷很大，但另一部分軸頸表面卻完全不承受載荷。通過安裝平衡重可以抵消一部分離心慣性力，從而使軸頸表面的載荷分布比較均勻些，與此同時軸頸和軸承表面的平均載荷也可以相應下降。它意味著軸頸的磨損也可以比較均勻，而不是集中磨一處，防止因偏磨而很決失圓損壞[10]。設計平衡重時，應盡可能使平衡重的重心遠離曲軸旋轉中心，即用較輕的重量達到較好的效果，以便盡可能減輕曲軸重量。平衡重的徑向尺寸和厚度以不碰活塞裙底和連桿大頭能通過為限度。將平衡重與曲軸鑄成一體，時加工較簡單，并且工作可靠。 油孔的位置和尺寸為保證曲軸軸承工作可靠，對它們必需有充分的潤滑。曲軸中油道的尺寸和布置直接影響它的強度和剛度，同時也影響軸承工作的可靠性。潤滑油一般從機體上的主油道通過主軸承的上軸瓦引入。從主軸頸向曲柄銷供油采用斜油道，主軸頸上的油孔入口應保證向曲柄銷供油足夠充分，曲柄銷上油孔的出口應設在負荷較低區(qū)，用以提高向曲柄銷的供油能力。曲柄銷油孔選擇在曲拐平面運轉前方的范圍內。由于油道位于曲拐平面內，油道出口處應力集中現(xiàn)象嚴重，當油道中心線與軸頸中心線的夾角時，最大應力增加很快，因此油孔設在小于處[10]。油道的孔徑一般在左右，取為4。 曲軸兩端的結構曲軸上帶動輔助系統(tǒng)的正時齒輪和皮帶輪一般裝在曲軸的前端，因為結構簡單，維修方便。發(fā)動機的配氣機構也是由曲軸自由端驅動。這是應為曲軸自由端的軸頸允許較細，可以采用節(jié)圓直徑小的齒輪，消除扭轉振動的減振器裝在曲軸前端，因為這里的振幅最大。在曲軸自由端從曲軸箱伸出去額地方必須考慮密封。一方面防止曲軸箱中的機油由這里漏出去，另一方面也防止外面的塵土等進入。密封是用甩油環(huán)和密封裝置所組成，密封裝置可以是密封圈，也可以是螺紋迷宮槽。所謂迷宮槽是在軸上或在曲軸箱的對應孔壁上制出螺紋，螺紋的螺旋方向與軸的螺旋方向相反。當機油漏入軸與孔之間的間隙中時，依靠機油的粘性和螺紋，把機油像個螺母一樣地退了回去，不使它漏出機體外[17]。曲軸后端（功率輸出端）設有法蘭，飛輪與后端用螺栓和定位銷連接。螺栓應擰得足夠緊，以便能夠依靠飛輪與法蘭之間的摩擦力矩傳輸出曲軸的最大轉矩。定位銷用來保證重裝飛輪時保持飛輪與曲軸的裝配位置。故定位銷的布置是不對稱的或只有一個。這種連接方式結構簡單，工作可靠。為了提高曲軸的扭轉剛度，從最后一道主軸承到飛輪法蘭這一軸段應該盡量粗短[13]。 曲軸的止推曲軸由于受熱膨脹而伸長或受斜齒輪即離合器等的軸向力會產生軸向移動，為了控制發(fā)動機在工作時曲軸的軸向竄動，在曲軸上設置有軸向定位裝置，同時為了保證曲軸在受熱膨脹時有一定的自由伸長量，所以曲軸上只能有一處軸向定位。從降低曲軸和機體加工尺寸鏈精度要求出發(fā)，止推軸承設在中間主軸承的兩邊。在第三主軸頸處設置軸向止推片，止推片為四片。曲軸軸向間隙應保持，其它各主軸承端面間隙應保證曲軸受熱伸長時能自由延伸。 曲軸的疲勞強度校核由于曲軸工作時承受交變載荷，它的破壞往往都由疲勞產生，因此，需要進行疲勞驗算。由于實際的曲軸是一個多支承的靜不定系統(tǒng)，理論上應按照連續(xù)梁的概念來求解支承彎矩和支反力，因為它考慮了支承的彈性安裝不同心度以及支座彎矩等因素對曲軸應力的影響。連續(xù)梁計算方法為：把曲軸簡化為支承在剛性支承上的圓柱形連續(xù)直梁，根據連續(xù)梁支承處偏轉角相等的變形協(xié)調條件，推導出各支承偏轉角變化總和為零的連續(xù)方程，這種方法在各單位曲拐長度相等的情況下認為它們的剛度相等，免去繁雜的曲拐剛度計算，同時又由于不考慮支座彈性等，得到三彎矩方程，借助三彎矩方程進行計算，得各支承處在曲拐平面和曲拐平面的垂直面內的彎矩，然后把第支承和第支承點處的主軸頸截面的彎矩（曲拐平面內）、（曲拐平面的垂直面內）和、再根據此新模型確定各支反力、各危險截面的內力矩，進而計算各名義應力[17]。 作用于單元曲拐上的力和力矩計算公式及其推導，把曲軸簡化為等圓截面梁，且由于假設各軸頸按等高度剛性點支承，即不考慮支座彈性及加工形成的不同軸度，以集中方式加載，且各拐集中力作用在各曲柄銷中央，平衡重離心力作用在平衡塊寬度中，為了保持轉換前后的一致，需在鉸鏈處作用彎矩，再根據支承二端轉角相等的變形協(xié)調條件，保證各中間支承的連續(xù)性。由材料力學知：在支承處左端梁轉角和右端梁轉角為（若）： （） （）由變形協(xié)調條件=， 連續(xù)梁受力圖=又因為，所以 （）設第一支承和最后一個支承處的彎矩為零，即。上式中包含，三個支承處的內彎矩，故稱三彎矩方程。連續(xù)梁有多少個內支承就可以建立多少各這樣的三彎矩方程，以此可求出支承處的內彎矩[18]。曲拐平面內支承彎矩計算已知=28++=，當=2，=3，=4時，由式（）得三彎矩方程組（）： （）。將、分別代入方程組。 各工況下載荷數(shù)據 （單位：）工況一二三四 各工況下曲拐平面內彎矩計算結果 （單位：）工況一二三四25 （單位：）工況一二三四 曲拐平面的垂直平面內彎矩計算結果 （單位：）工況一二三四支反力計算求得各支承彎矩后。 支反力計算模型得到支反力表達式如下： （） （）式中：—作用在曲柄銷上的徑向力；—作用在曲柄銷上的切向力； —連桿旋轉質量、曲柄銷、曲柄臂的總的離心慣性力；已知，由公式（）、（）計算得到各個支座反力。 （單位：）工況一二3635三四 （單位：）工況一0二0三0四0可見，各支座在曲拐平面內的值比曲拐平面的垂直面內的值大得多。 名義應力的計算應力計算的任務是求出曲拐上曲柄銷圓角處的名義應力幅、和名義應力的平均值、。由于疲勞破壞總是發(fā)生在曲柄臂截面上，扭轉疲勞破壞總是發(fā)生在軸頸上，因此彎曲和扭轉時的名義應力應分別取為曲柄臂中央截面和曲柄銷軸頸橫截面上的彎曲和扭轉應力[17]。一般情況，四缸機是在第二、三缸受到最大爆發(fā)壓力作用時曲軸所受的應力最大，現(xiàn)選擇對第三缸曲拐進行名義應力計算：曲軸材料：QT9002，極限強度，對稱循環(huán)彎曲疲勞極限，對稱循環(huán)扭轉疲勞極限。 單拐計算模型[18]彎曲應力 ，最大支反力，對應的支承彎矩，最小支反力，對應的支承彎矩，然后計算曲拐平面內曲柄臂中央處彎矩，彎矩最大值為： （）彎矩最小值為： （）曲柄臂抗彎截面模量為： （）圓角名義彎曲應力為： （） （）最后得到，圓角彎曲應力幅和平均應力為： （） （）扭轉應力，單拐扭矩，對應的曲拐垂直平面內支反力，對應的曲拐垂直平面內支反力。然后計算圓角承受的扭矩： （） （）曲柄銷抗扭截面系數(shù)為： （）圓角名義切應力為： （） （）最后得： （） （）計算結果遠遠小于許用值，則校核合格。 本章小結本章首先分析了曲軸的工作條件和設計要求，在合理選擇材料的基礎上，對曲軸的各個部分進行結構參數(shù)的設計，并進行有關的尺寸校核，使其符合實際加工的要求，還對曲軸的一些細節(jié)進行了設計，如油孔的位置以及曲軸的軸向定位等問題，給予了合理的解釋，最后對曲軸進行了疲勞強度校核。第6章 曲柄連桿機構的創(chuàng)建運用Pro/E軟件分別對曲柄連桿機構的各個零件進行模型的建立，具體步驟如下： 對Pro/E軟件基本功能的介紹Pro/E軟件是美國PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一體化軟件。無論是造型設計、工程出圖，以及3D裝配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可動態(tài)修改的特點。Pro/E更是以其基于特征的參數(shù)化設計、單一數(shù)據庫下的全相關性等新概念而聞名于世。另外還具有模具設計，動態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，計算質量特征（如質心、慣性矩）等功能模塊。用Pro/E創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉動態(tài)觀察結構形體，更可以進行方便的動態(tài)修改和調整。進行力學分析、運動分析、數(shù)控加工等。 活塞的創(chuàng)建 活塞的特點分析活塞是在高溫、高壓、高腐蝕的條件下，在汽缸內做高速往復直線運動的。要適應這樣惡劣的工作條件，必須具有相應的結構。（1）活塞頂部外表面設計成凹面形，以利于燃燒室內的氣體形成渦流，使燃料與空氣混合得更均勻，燃燒得更充分。（2）在活塞的頭部有三道環(huán)形槽，上邊兩道環(huán)形槽為氣環(huán)槽，下邊一條為油環(huán)槽。（3）活塞的裙部在活塞做直線往復運動時起導向作用。裙部頂端有兩個往里凸起的銷座。（4）活塞裙部的軸截面應制成鼓形，活塞裙部的橫截面應制成橢圓形。由于橢圓的長軸與短軸之間相差極小，所以建模時以圓形代替。 活塞的建模思路（1）為了快速準確地創(chuàng)建活塞模型，先抽取活塞模型中的對稱部分，由列表曲線創(chuàng)建活塞的1/4輪廓。（2）鏡像生成活塞的整個輪廓。（3）創(chuàng)建活塞的頂部凹槽特征。（4）創(chuàng)建活塞頭部的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。（5）創(chuàng)建各部分的倒圓角。 活塞的建模步驟創(chuàng)建活塞1/4輪廓（1）運用【偏移坐標系基準點工具】，選取基準坐標系，完成活塞輪廓點的創(chuàng)建。（2）運用【插入基準曲線】，將上一步創(chuàng)建的點連成曲線（3）運用【旋轉工具】，選擇旋轉角度為“90”，：創(chuàng)建活塞銷孔（1）運用【旋轉工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng)建剪切特征。（2）運用【拉伸工具】創(chuàng)建銷座模型并拉伸出通孔。（3）運用【旋轉工具】，選擇【去除材料】，創(chuàng)建活塞銷卡環(huán)槽。（4）運用【拉伸工具】，拉伸方式為“通孔”，選擇【去除材料】，創(chuàng)建裙部特征。 創(chuàng)建的活塞1/4輪廓 　 拉伸切除結果創(chuàng)建凸臺（1）新建基準平面，并設置間距。（2）選取草繪平面，運用【拉伸工具】，拉伸方式為【至曲面】，生成凸臺。（3）運用【旋轉工具】，選擇【去除材料】，旋轉切除截面，創(chuàng)建裙部凹面特征。（4）對生成的活塞銷孔邊和凸臺邊分別進行倒圓角。（5）運用【孔工具】，創(chuàng)建【標準孔】，選擇螺紋類型為“M61” ，并添加攻絲和埋頭孔。鏡像生成整個活塞（1）在模型樹中選取整個模型，然后運用【鏡像工具】，鏡像生成1/2活塞。：（2）再選取整個模型，再次鏡像生成完整的活塞。創(chuàng)建頂部凹槽運用【拉伸工具】，拉伸方式為【盲孔