380型柴油机曲轴结构优化设计optimizationdesignofcrankshaftstructurefor380
摘 要摘 要对380型柴油机的曲轴实施疲劳强度计算，后对该柴油机曲轴进行有限元分析，这主要是为了了解应力系数的情况，然后再次对曲轴针对性的优化设计，削弱应力集中影响较大的部位。其中，利用ansys有限元软件且结合有限元法针对性的在不同工况下的三维有限元分析，用CAD三维软件对柴油机曲轴建立精确贴合实际的三维立体模型。其次，又进行了关于曲轴在动力学和运动学上的理论分析依次对在其运动过程中受力情况进行学习。最后，凭借有限元法对曲轴组整体的应力状态全面的进行分析。同时，要对曲轴进行疲劳校核，疲劳校核要求在曲轴面临周期性的交变载荷的前提下，主要对曲轴结构刚度强度进行校核。其中，交变载荷包括交变的弯扭两种应力。作为发动机中至关重要的机件，曲轴的参数决定性的影响着发动机的寿命长短与可靠性水平。本文通过对柴油机曲轴的确切建模，并结合材料特性，设计优化出最符合经济合理的发动机曲轴。关键字优化设计；柴油机曲轴；有限元分析；疲劳强度
Key words: Optimization design; Diesel engine crankshaft;finite element analysis; fatigue strength 目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 设计研究的主要内容 3
1.4 研究方法，步骤和措施 4
第二章 380型柴油机曲轴结构设计计算 5
2.1 380型柴油机曲轴的材料、工作条件、结构型式 5
2.1.1 曲轴的材料 5
2.1.2 曲轴的工作条件和设计要求 6
2.1.3 曲轴结构型式选择 8
2.2 曲轴各部位主要尺寸和结构细节处理 9
2.2.1 曲柄销的长度L2和直径D2 9
2.2.2 主轴颈的直径和长度 10
2.2.3 曲柄 11
2.2.4 曲轴的平衡与平衡重 11
2.2.5 油孔的位置和尺寸油道布置 13
2.2.6 提高曲轴强度的措施 13
2.3 380型柴油机曲轴的疲劳强度校核 13
2.3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
关于单元曲拐上的力和力矩的受力分析 14
2.3.2 安全系数的计算及名义应力的计算 18
第三章 曲轴模型建立及结构优化分析 21
3.1 对Pro/E软件基本功能的介绍 21
3.2 曲轴的创建 21
3.2.1 曲轴的特点分析 21
3.2.2 针对曲轴的建模思路 22
3.2.3 曲轴的具体建模步骤 22
3.2.4 曲柄连杆机构中曲轴的动力学分析 24
3.3 对ansys软件基本功能的介绍 25
3.4 整体曲轴力学模型的建立 25
3.4.1 网格的划分 26
3.4.2 结构特点 27
3.4.3 载荷的处理与约束条件处理 27
3.4.4 380柴油机工况的有限元分析结果 28
3.5 优化分析结果 32
3.6本章小结 33
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪 论
1.1 选题的目的和意义
本课题所做研究是380型柴油机曲轴组结构优化设计。曲轴也是受力最复杂的零件,而且其所受载荷也最大。柴油机本身曲轴的尺寸大小影响广泛，不仅影响到柴油机的可靠性与寿命，就连对于柴油机的结构改进中，由于曲轴的破坏也会影响甚至破坏其他部分，因此曲轴的改进至关重要。因为柴油机结构的发展强化，曲轴的刚度和强度问题加重，曲轴的工作条件愈发恶劣了。交变载荷造成的弯曲疲劳失效主要出现在过渡圆角即应力集中处，因为曲轴的破坏会出现在这里，如果想要减轻弯曲疲劳失效带来的破坏，应该选择增强弯曲疲劳强度。我们在设计优化曲轴时，要慎重考虑作为曲轴的材料，尺寸参数也是要考虑的，曲轴的尺寸大小会影响整机的大小，还有曲轴的结构型式，争取使最终得到的曲轴最为优化。
在当今世界，随着农工业的迅猛发展，内燃机的发展也不断进步，作为其中主要部件的曲轴，它的生产各国都尤为重视。通过上述的提高曲轴材料选择，选择合适的加工方式，还有种种措施，使生产出来的曲轴更加符合需求。与世界各国相比，国内曲轴加工发展亦十分迅猛，曲轴的生产得到较大的发展，产品总量已颇具规模，无论是在曲轴设计水平上，还是再产品品种、生产方式上都有较快发展。需要引起我们的足够重视的曲轴，以往凭借经验设计，加工质量难以确保，更需要设计优化。
曲轴优化设计的首要条件是：曲轴应具有合适充足的弯曲疲劳强度。要了解如何设计优化，需要我们掌握曲轴遇到的问题。从首要条件，我们获知如果没有足够的弯曲疲劳强度，曲轴会因为长期经受周期性变化的交变载荷，从而产生疲劳破坏。实际上，在工作中的曲轴受到的载荷也极为复杂，而且曲轴本身构造形状并不简单，随之的应力集中就变得严重。曲轴承受着来自气缸的缸内燃气作用力，还有另外两个惯性力的影响，因此产生的载荷周期性的对外输出扭矩。次之的还有，曲轴有着较大的轴颈比压，会使曲轴磨损严重最终破坏曲轴。这些都需要我们对整个曲轴先后进行疲劳强度校核计算和静应力有限元分析。经过了模态分析后，可以得到曲轴各阶振型、频率，是动力学分析曲轴的必要保证。
曲轴的设计要求有四点。第一，曲轴的刚度和强度要适中，其中刚度要求变形不能过大。强度则要求要有充足的疲劳强度；第二，轴颈表面部分要耐磨，要有足够的承压面积；第三，尽最大可能减少应力集中现象的发生。
已知的常用材料有三种，在绝大多数场合下使用中碳钢，模锻制造的那种。这种中碳钢采用锻造后对其正火处理，或者调质处理，然后在各轴颈处加热表面淬火。采用球墨铸铁这种材料要求刚度强度保持适当，在此前提下，阻尼特性可以降低扭转振动带来的幅值，这种材料可以减少制造成本。合金钢则常用在强化程度较高的发动机中[1]。
整体式曲轴拥有加工表面少，工作可靠质量轻，刚度和强度较高等诸多优点。它在中小型发动机中广泛采用，一般配合滑动轴承。由此我们得知曲轴结构设计，据曲轴不同的结构形式，各有各自的优点。
而一般情况下，使用的大多是组合式曲轴。采用组合式曲轴大多情况是在：整体式曲轴加工不易，因为曲轴尺寸大其中又有诸多曲拐。小型单缸发动机也有采用组合式的曲轴。曲轴支承则有两种，柴油机多用全支承曲轴。优点是曲轴刚性好不易弯曲，缺点也不可忽视，其中提高制造成本，促使机体加长从而加长缸心距都有包含。
Key words: Optimization design; Diesel engine crankshaft;finite element analysis; fatigue strength 目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题的目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 设计研究的主要内容 3
1.4 研究方法，步骤和措施 4
第二章 380型柴油机曲轴结构设计计算 5
2.1 380型柴油机曲轴的材料、工作条件、结构型式 5
2.1.1 曲轴的材料 5
2.1.2 曲轴的工作条件和设计要求 6
2.1.3 曲轴结构型式选择 8
2.2 曲轴各部位主要尺寸和结构细节处理 9
2.2.1 曲柄销的长度L2和直径D2 9
2.2.2 主轴颈的直径和长度 10
2.2.3 曲柄 11
2.2.4 曲轴的平衡与平衡重 11
2.2.5 油孔的位置和尺寸油道布置 13
2.2.6 提高曲轴强度的措施 13
2.3 380型柴油机曲轴的疲劳强度校核 13
2.3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
关于单元曲拐上的力和力矩的受力分析 14
2.3.2 安全系数的计算及名义应力的计算 18
第三章 曲轴模型建立及结构优化分析 21
3.1 对Pro/E软件基本功能的介绍 21
3.2 曲轴的创建 21
3.2.1 曲轴的特点分析 21
3.2.2 针对曲轴的建模思路 22
3.2.3 曲轴的具体建模步骤 22
3.2.4 曲柄连杆机构中曲轴的动力学分析 24
3.3 对ansys软件基本功能的介绍 25
3.4 整体曲轴力学模型的建立 25
3.4.1 网格的划分 26
3.4.2 结构特点 27
3.4.3 载荷的处理与约束条件处理 27
3.4.4 380柴油机工况的有限元分析结果 28
3.5 优化分析结果 32
3.6本章小结 33
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪 论
1.1 选题的目的和意义
本课题所做研究是380型柴油机曲轴组结构优化设计。曲轴也是受力最复杂的零件,而且其所受载荷也最大。柴油机本身曲轴的尺寸大小影响广泛，不仅影响到柴油机的可靠性与寿命，就连对于柴油机的结构改进中，由于曲轴的破坏也会影响甚至破坏其他部分，因此曲轴的改进至关重要。因为柴油机结构的发展强化，曲轴的刚度和强度问题加重，曲轴的工作条件愈发恶劣了。交变载荷造成的弯曲疲劳失效主要出现在过渡圆角即应力集中处，因为曲轴的破坏会出现在这里，如果想要减轻弯曲疲劳失效带来的破坏，应该选择增强弯曲疲劳强度。我们在设计优化曲轴时，要慎重考虑作为曲轴的材料，尺寸参数也是要考虑的，曲轴的尺寸大小会影响整机的大小，还有曲轴的结构型式，争取使最终得到的曲轴最为优化。
在当今世界，随着农工业的迅猛发展，内燃机的发展也不断进步，作为其中主要部件的曲轴，它的生产各国都尤为重视。通过上述的提高曲轴材料选择，选择合适的加工方式，还有种种措施，使生产出来的曲轴更加符合需求。与世界各国相比，国内曲轴加工发展亦十分迅猛，曲轴的生产得到较大的发展，产品总量已颇具规模，无论是在曲轴设计水平上，还是再产品品种、生产方式上都有较快发展。需要引起我们的足够重视的曲轴，以往凭借经验设计，加工质量难以确保，更需要设计优化。
曲轴优化设计的首要条件是：曲轴应具有合适充足的弯曲疲劳强度。要了解如何设计优化，需要我们掌握曲轴遇到的问题。从首要条件，我们获知如果没有足够的弯曲疲劳强度，曲轴会因为长期经受周期性变化的交变载荷，从而产生疲劳破坏。实际上，在工作中的曲轴受到的载荷也极为复杂，而且曲轴本身构造形状并不简单，随之的应力集中就变得严重。曲轴承受着来自气缸的缸内燃气作用力，还有另外两个惯性力的影响，因此产生的载荷周期性的对外输出扭矩。次之的还有，曲轴有着较大的轴颈比压，会使曲轴磨损严重最终破坏曲轴。这些都需要我们对整个曲轴先后进行疲劳强度校核计算和静应力有限元分析。经过了模态分析后，可以得到曲轴各阶振型、频率，是动力学分析曲轴的必要保证。
曲轴的设计要求有四点。第一，曲轴的刚度和强度要适中，其中刚度要求变形不能过大。强度则要求要有充足的疲劳强度；第二，轴颈表面部分要耐磨，要有足够的承压面积；第三，尽最大可能减少应力集中现象的发生。
已知的常用材料有三种，在绝大多数场合下使用中碳钢，模锻制造的那种。这种中碳钢采用锻造后对其正火处理，或者调质处理，然后在各轴颈处加热表面淬火。采用球墨铸铁这种材料要求刚度强度保持适当，在此前提下，阻尼特性可以降低扭转振动带来的幅值，这种材料可以减少制造成本。合金钢则常用在强化程度较高的发动机中[1]。
整体式曲轴拥有加工表面少，工作可靠质量轻，刚度和强度较高等诸多优点。它在中小型发动机中广泛采用，一般配合滑动轴承。由此我们得知曲轴结构设计，据曲轴不同的结构形式，各有各自的优点。
而一般情况下，使用的大多是组合式曲轴。采用组合式曲轴大多情况是在：整体式曲轴加工不易，因为曲轴尺寸大其中又有诸多曲拐。小型单缸发动机也有采用组合式的曲轴。曲轴支承则有两种，柴油机多用全支承曲轴。优点是曲轴刚性好不易弯曲，缺点也不可忽视，其中提高制造成本，促使机体加长从而加长缸心距都有包含。
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