發(fā)動機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、1發(fā)動機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 發(fā)動機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 緒論 緒論1.1 本課題的目的及意義 本課題的目的及意義柴油機(jī)與汽油機(jī)相比其燃料、可燃混合氣的形成以及點(diǎn)火方式都不相同，而柴油機(jī)采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度【1】 ，因此柴油機(jī)的功率更大、經(jīng)濟(jì)性能更好，這也導(dǎo)致柴油機(jī)工作壓力大，要求各有關(guān)零件具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，所以柴油機(jī)比較笨重，體積較大；柴油機(jī)的噴油泵與噴嘴制造精度要求高【2】 ，所以成本較高；另外，柴油機(jī)工作粗暴，振動噪聲大；

2、柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時(shí)起動困難。因而柴油發(fā)動機(jī)一般用于大、中型載重貨車上【3】 。曲軸是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件，其尺寸與內(nèi)燃機(jī)整體尺寸和重量有很大關(guān)系，如曲柄銷直徑直接影響連桿大端尺寸和重量，后者又影響曲軸箱寬度，曲軸單位曲柄長度影響內(nèi)燃機(jī)總長度，曲軸尺寸大小在很大程度上影響著發(fā)動機(jī)的外形尺寸和重量。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)動形式輸出。此外，

3、曲軸還傳動保證內(nèi)燃機(jī)正常工作需要的機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)附件(如配氣機(jī)構(gòu)、燃油泵、水泵、潤滑油泵等)，因此曲軸工作的可靠性和壽命在很大程度上影響內(nèi)燃機(jī)工作的可靠性和壽命?！?】 。曲軸的工作情況及其復(fù)雜，基本工作載荷是彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷；對內(nèi)不平衡的發(fā)動機(jī)曲軸還承受內(nèi)彎矩和剪力；未采取扭轉(zhuǎn)振動減振措施的曲軸還可能作用著幅值較大的扭轉(zhuǎn)振動彈性力矩。這些載荷都是交變性的，可能引起曲軸疲勞失效。曲軸的破壞事故可能引起其它零件的嚴(yán)重?fù)p壞。曲軸又是一根連續(xù)曲

4、梁，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，剛性差，材質(zhì)要求嚴(yán)，制造要求高，是內(nèi)燃機(jī)造價(jià)最貴的機(jī)件。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】 。由以上所述可以看出曲軸設(shè)計(jì)的重要性。3機(jī)和計(jì)算力學(xué)的飛速發(fā)展，最近 30 多年來曲軸計(jì)算方法的應(yīng)力分析精度有了極大的提高，可以相當(dāng)精確地確定在任一工況下曲軸任意部位的應(yīng)力，因此對曲軸

5、整體的強(qiáng)度也可以作比較精確的評估。60 年代－70 年代，產(chǎn)生了整體曲軸計(jì)算的連續(xù)梁模型和空間鋼架模型。在 60 年代末期，美國的 Poter 提出了一種曲柄剛度的經(jīng)驗(yàn)算法，但方法比較繁瑣，并且缺少實(shí)驗(yàn)和使用的驗(yàn)證。后來，又有人提出了一種曲柄剛度的斜截面法，計(jì)算精度較 Porter 法有新的提高，但由于不能考慮削去的肩部以及中心油孔等因素的影響，計(jì)算剛度仍然比實(shí)測值大【13】 ?，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

6、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;二是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。常用的應(yīng)力計(jì)算的方法有三種:傳統(tǒng)法、有限元法和邊界元法【14】 。1.3 有限元分析 有限元分析有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件） ，從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問

7、題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段【15】 。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。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。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

8、學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法【16】 。曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要、承載最復(fù)雜的零件之一，同時(shí)曲軸又是發(fā)動機(jī)中典型的易損件之一，其強(qiáng)度和剛度直接影響到整機(jī)的工作性能。曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的受力情況非常復(fù)雜，承受著氣缸內(nèi)的氣體壓力及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的載荷，還有可能承受