發(fā)動機曲軸結構設計

1、1發(fā)動機曲軸結構設計 發(fā)動機曲軸結構設計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與汽油機相比其燃料、可燃混合氣的形成以及點火方式都不相同，而柴油機采用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度【1】 ，因此柴油機的功率更大、經(jīng)濟性能更好，這也導致柴油機工作壓力大，要求各有關零件具有較高的結構強度和剛度，所以柴油機比較笨重，體積較大；柴油機的噴油泵與噴嘴制造精度要求高【2】 ，所以成本較高；另外，柴油機工作粗暴，振動噪聲大；

2、柴油不易蒸發(fā)，冬季冷車時起動困難。因而柴油發(fā)動機一般用于大、中型載重貨車上【3】 。曲軸是發(fā)動機的關鍵零件，其尺寸與內燃機整體尺寸和重量有很大關系，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燃機總長度，曲軸尺寸大小在很大程度上影響著發(fā)動機的外形尺寸和重量。曲軸是內燃機曲柄連桿機構的主要組成部分、三大運動件之一，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運動形式輸出。此外，

3、曲軸還傳動保證內燃機正常工作需要的機構和系統(tǒng)附件(如配氣機構、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燃機工作的可靠性和壽命?！?】 。曲軸的工作情況及其復雜，基本工作載荷是彎曲載荷和扭轉載荷；對內不平衡的發(fā)動機曲軸還承受內彎矩和剪力；未采取扭轉振動減振措施的曲軸還可能作用著幅值較大的扭轉振動彈性力矩。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重損壞。曲軸又是一根連續(xù)曲

4、梁，結構形狀復雜，剛性差，材質要求嚴，制造要求高，是內燃機造價最貴的機件。隨著內燃機的發(fā)展與強化，曲軸的工作條件愈加嚴酷了【5】 ，必須在設計上正確選擇曲軸的結構形式，并根據(jù)設計要求選擇合理的尺寸、合適的材料與恰當?shù)墓に?，以求獲得滿意的技術經(jīng)濟效果【6】 。由以上所述可以看出曲軸設計的重要性。3機和計算力學的飛速發(fā)展，最近 30 多年來曲軸計算方法的應力分析精度有了極大的提高，可以相當精確地確定在任一工況下曲軸任意部位的應力，因此對曲軸

5、整體的強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)驗算法，但方法比較繁瑣，并且缺少實驗和使用的驗證。后來，又有人提出了一種曲柄剛度的斜截面法，計算精度較 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，計算剛度仍然比實測值大【13】 ?，F(xiàn)有的曲軸強度計算都歸結為疲勞強度計算，其計算步驟分為以下

6、兩步一是應力計算，求出曲軸危險部位的應力幅和平均應力;二是在此基礎上進行疲勞強度計算。常用的應力計算的方法有三種: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合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件） ，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問

7、題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，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際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應用，例如用多邊形（有限個直線單元）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，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力

8、學研究的科學家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法【16】 。曲軸是發(fā)動機中最重要、承載最復雜的零件之一，同時曲軸又是發(fā)動機中典型的易損件之一，其強度和剛度直接影響到整機的工作性能。曲軸運轉中的受力情況非常復雜，承受著氣缸內的氣體壓力及往復和旋轉質量慣性力引起的周期性變化的載荷，還有可能承受