某发动机曲轴的静动态特性分析(附件)【字数：11451】
摘 要发动机是整个汽车的心脏，而曲轴是所有发动机零部件最为重要的一个零部件，那是因为曲轴在工作状态下一直承受交变载荷，总会产生裂纹，严重的甚至能够产生疲劳断裂。有限元分析可以成为汽车发动机零部件设计的重要信息，从而使之可靠。因此，分析曲轴强度是研究一切的基础，是发动机设计最重要且不可缺少的环节。本文通过应用ANSYS软件的平台，从不同的角度研究了曲轴的疲劳强度。首先建立了发动机的曲轴三维有限元模型,进行曲轴的静力学分析。其次,对曲轴进行自由模态分析，为优化和改进发动机设计大大减少了不必要的麻烦，为新产品的研究提供了方便。最后通过以上预测出曲轴原有模型存在的危险性和已经完成的曲轴有限元分析的参数化设计，可以较准确的获得最优化的参数组合，从而可以将应力的大小和分布优化到效果最完美的状态。还要从静态应力和动态应力不同的方面进行比较分析新的结构与原有结构。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2曲轴常见失效形式 1
1.3国内外研究现状 1
1.4曲轴强度研究方式 2
1.5本文研究目的 3
第二章 发动机以及曲柄连杆机构理论 4
2.1发动机的动力学分析 4
2.2曲柄连杆机构动力学 6
2.3本章小结 7
第三章 曲轴的静力学分析 8
3.1静力学的三维模型 8
3.2有限元分析软件 8
3.3边界条件 9
3.4曲轴的有限元静力学分析 9
3.5曲轴在工况1时的有限元结果 10
3.6曲轴在工况2时的有限元结果 11
3.7曲轴在工况3时的有限元结果 12
3.8曲轴在工况4时的有限元结果 13
3.9本章小结 13
第四章 曲轴的模态分析 15
4.1网格划分 15
4.2载荷的加载方式 15
4.3参数设置 15
4.4结果分析 15
4.5本章小结 17
第五章 曲轴结构优化 18
5.1预测危险以及确定优化方式 18
5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
改进圆角结构 18
5.3圆角尺寸的改进 19
5.4本章小结 20
第六章 结论与展望 21
6.1结论 21
6.2研究展望 21
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1研究背景
汽车的不断发展对人类的生活产生了巨大的影响。在发动机的传动中，曲轴起着非常重要的作用。曲轴承受气缸的气体压力，并通过往复和旋转的质量惯性力，周期性地改变载荷。它还可以承担振动、弯曲和轴向振动，并在曲轴上产生交变弯曲应力和扭转应力。所有这些都可能导致曲轴的疲劳失效，如果曲轴是故障，从停机时间，机器损坏到人身伤害的后果是非常严重的。因此，如何获得更准确的应力、变形的大小和分布以及曲轴的固有频率和模态，对于指导曲轴的优化和改进设计具有重要意义[1]。
众所周知，发动机的曲轴类似于我们人类的心脏，心有多重要，即曲轴有多重要。没有曲轴发动机就不会旋转起来，整个系统也就不会运转起来。当下，生活使用的发动机曲轴均使用齿轮进行传动，大排量气缸的发动机加速度越来越大时，曲轴的机械性能将会越来越不稳定。齿轮的强度影响着曲轴的性能，但只能单个齿轮受力，在传动时刚性接触，冲击载荷相对过大，导致曲轴的输出力矩小。甚至差层次的机械性能也是发动机发出更大令人厌恶的噪音，对环境产生了一定程度的噪声污染。 因此我们需要改进曲轴的强度与结构。
1.2曲轴常见失效形式
1.2.1轴颈磨损
曲轴在工作状态的时候，主轴颈承受气缸内燃料消耗产生的冲力和活塞连杆组往复运动的惯性力，并且两种力的方向大小有差异且对轴径圆周的作用具有不稳定性，导致他们的磨损有各自的差别。比如曲轴颈向会在径向方向上展现出椭圆形状的磨损。而连杆轴颈在曲柄方向上展现出是失圆或锥形形状的磨损。
1.2.2变形
曲轴弯扭变形由于曲轴轴瓦装配不恰当、活塞或轴瓦的损坏或故障、曲轴的动平衡不佳、曲轴自身材质不足等等引起。曲轴的直线度不在允许值之内，我们需要调整他的直线度。
1.2.3疲劳失效
曲轴疲劳断裂是曲轴最为常见的失效形式，在发动机所有零件中,曲轴是极为核心的部件,这是由于其在工作过程中总承受复杂的交变载荷,常会出现裂纹,甚至疲劳断裂的现象[2]。如果材质和制造的不好，那么曲轴会在高载荷的作用下发生应力集中，从而导致疲劳载荷，在这种力的长时间作用下，会使曲轴产生裂纹，渐渐的断裂，直到失效。
1.3国内外研究现状
在我国，汽车技术目前虽然没有比国外那些发达国家高超，但近几年，随着国家的发展和努力，开始了对汽车的大量研究，并获得了一些成果。起初，国内首先介入的领域是柴油机发面，因此关于柴油机的研究比较先进与广泛。目前，关于柴油机的有限元分析技术已经一马当先，不弱于国外[3]。近年来,对发动机零部件再制造成为所有研究焦点,而在发动机所有零部件中,曲轴又是当中必不可缺的研究对象。发动机曲轴在工作过程中总承受复杂的交变载荷,而出现应力集中的位置久而久之就会出现裂纹,甚至疲劳断裂。因此,曲轴裂纹的探测和修复也渐渐成为再制造的未来目标,我们都知道曲轴强度分析是其他一切零部件研究的基础[4]。对发动机曲轴的动静态分析我们可以通过ANSYS软件模拟曲轴在某些危险工况时的静态应力,以及分析曲轴的自由模态。当今关于有限元模型的建立、机体强度的有限元分析[5]、大功率柴油机曲轴及主轴承受力和运动分析[6]、机体的模态分析都有一些相关的论文和研究成果公开发表。一切都在进步，对汽车发动机曲轴的研究也不例外。
2009年K.S.Choi, J.Pan做了模拟和应力分布在曲轴断面的圆角轧制和弯曲疲劳试验，发表于机械疲劳类的顶尖期刊[7]。黄莺杨博士在2012年中国机械工程杂志发表内燃机曲轴总成的非线性扭转震动特性的文章[8]。而在国内，陈宏，聂志斌等人在2012年对某型号柴油机曲轴的过渡圆角三圆弧结构改为单圆弧结构进行了曲轴弯曲和扭转强度对比分析 ,得出柴油机曲轴的过渡圆角若是由三圆弧改为单圆弧结构,可以在一定程度上的减小过渡圆角附近的应力集中[9]。我知道的还有大连海事大学的陈荣通过软件ANSYS进行了有限元分析，并与实际情况作出比较[10]。当中分析了在所有危险工况下的静态应力,以及模拟分析曲轴获得了瞬态动力学结果。通过揭示应力变形规律,可以判断出曲轴原有模型是否存在危险性,并自信完美地提出优化曲轴强度的措施,进行改进优化之后，分析得出曲轴优化之后可以帮助整体实现应力峰值下降,也就是说可以使整轴应力分布的均匀化,从而达到提高曲轴的强度,减少曲轴疲劳断裂失效的目的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2曲轴常见失效形式 1
1.3国内外研究现状 1
1.4曲轴强度研究方式 2
1.5本文研究目的 3
第二章 发动机以及曲柄连杆机构理论 4
2.1发动机的动力学分析 4
2.2曲柄连杆机构动力学 6
2.3本章小结 7
第三章 曲轴的静力学分析 8
3.1静力学的三维模型 8
3.2有限元分析软件 8
3.3边界条件 9
3.4曲轴的有限元静力学分析 9
3.5曲轴在工况1时的有限元结果 10
3.6曲轴在工况2时的有限元结果 11
3.7曲轴在工况3时的有限元结果 12
3.8曲轴在工况4时的有限元结果 13
3.9本章小结 13
第四章 曲轴的模态分析 15
4.1网格划分 15
4.2载荷的加载方式 15
4.3参数设置 15
4.4结果分析 15
4.5本章小结 17
第五章 曲轴结构优化 18
5.1预测危险以及确定优化方式 18
5.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
改进圆角结构 18
5.3圆角尺寸的改进 19
5.4本章小结 20
第六章 结论与展望 21
6.1结论 21
6.2研究展望 21
结束语 22
致 谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1研究背景
汽车的不断发展对人类的生活产生了巨大的影响。在发动机的传动中，曲轴起着非常重要的作用。曲轴承受气缸的气体压力，并通过往复和旋转的质量惯性力，周期性地改变载荷。它还可以承担振动、弯曲和轴向振动，并在曲轴上产生交变弯曲应力和扭转应力。所有这些都可能导致曲轴的疲劳失效，如果曲轴是故障，从停机时间，机器损坏到人身伤害的后果是非常严重的。因此，如何获得更准确的应力、变形的大小和分布以及曲轴的固有频率和模态，对于指导曲轴的优化和改进设计具有重要意义[1]。
众所周知，发动机的曲轴类似于我们人类的心脏，心有多重要，即曲轴有多重要。没有曲轴发动机就不会旋转起来，整个系统也就不会运转起来。当下，生活使用的发动机曲轴均使用齿轮进行传动，大排量气缸的发动机加速度越来越大时，曲轴的机械性能将会越来越不稳定。齿轮的强度影响着曲轴的性能，但只能单个齿轮受力，在传动时刚性接触，冲击载荷相对过大，导致曲轴的输出力矩小。甚至差层次的机械性能也是发动机发出更大令人厌恶的噪音，对环境产生了一定程度的噪声污染。 因此我们需要改进曲轴的强度与结构。
1.2曲轴常见失效形式
1.2.1轴颈磨损
曲轴在工作状态的时候，主轴颈承受气缸内燃料消耗产生的冲力和活塞连杆组往复运动的惯性力，并且两种力的方向大小有差异且对轴径圆周的作用具有不稳定性，导致他们的磨损有各自的差别。比如曲轴颈向会在径向方向上展现出椭圆形状的磨损。而连杆轴颈在曲柄方向上展现出是失圆或锥形形状的磨损。
1.2.2变形
曲轴弯扭变形由于曲轴轴瓦装配不恰当、活塞或轴瓦的损坏或故障、曲轴的动平衡不佳、曲轴自身材质不足等等引起。曲轴的直线度不在允许值之内，我们需要调整他的直线度。
1.2.3疲劳失效
曲轴疲劳断裂是曲轴最为常见的失效形式，在发动机所有零件中,曲轴是极为核心的部件,这是由于其在工作过程中总承受复杂的交变载荷,常会出现裂纹,甚至疲劳断裂的现象[2]。如果材质和制造的不好，那么曲轴会在高载荷的作用下发生应力集中，从而导致疲劳载荷，在这种力的长时间作用下，会使曲轴产生裂纹，渐渐的断裂，直到失效。
1.3国内外研究现状
在我国，汽车技术目前虽然没有比国外那些发达国家高超，但近几年，随着国家的发展和努力，开始了对汽车的大量研究，并获得了一些成果。起初，国内首先介入的领域是柴油机发面，因此关于柴油机的研究比较先进与广泛。目前，关于柴油机的有限元分析技术已经一马当先，不弱于国外[3]。近年来,对发动机零部件再制造成为所有研究焦点,而在发动机所有零部件中,曲轴又是当中必不可缺的研究对象。发动机曲轴在工作过程中总承受复杂的交变载荷,而出现应力集中的位置久而久之就会出现裂纹,甚至疲劳断裂。因此,曲轴裂纹的探测和修复也渐渐成为再制造的未来目标,我们都知道曲轴强度分析是其他一切零部件研究的基础[4]。对发动机曲轴的动静态分析我们可以通过ANSYS软件模拟曲轴在某些危险工况时的静态应力,以及分析曲轴的自由模态。当今关于有限元模型的建立、机体强度的有限元分析[5]、大功率柴油机曲轴及主轴承受力和运动分析[6]、机体的模态分析都有一些相关的论文和研究成果公开发表。一切都在进步，对汽车发动机曲轴的研究也不例外。
2009年K.S.Choi, J.Pan做了模拟和应力分布在曲轴断面的圆角轧制和弯曲疲劳试验，发表于机械疲劳类的顶尖期刊[7]。黄莺杨博士在2012年中国机械工程杂志发表内燃机曲轴总成的非线性扭转震动特性的文章[8]。而在国内，陈宏，聂志斌等人在2012年对某型号柴油机曲轴的过渡圆角三圆弧结构改为单圆弧结构进行了曲轴弯曲和扭转强度对比分析 ,得出柴油机曲轴的过渡圆角若是由三圆弧改为单圆弧结构,可以在一定程度上的减小过渡圆角附近的应力集中[9]。我知道的还有大连海事大学的陈荣通过软件ANSYS进行了有限元分析，并与实际情况作出比较[10]。当中分析了在所有危险工况下的静态应力,以及模拟分析曲轴获得了瞬态动力学结果。通过揭示应力变形规律,可以判断出曲轴原有模型是否存在危险性,并自信完美地提出优化曲轴强度的措施,进行改进优化之后，分析得出曲轴优化之后可以帮助整体实现应力峰值下降,也就是说可以使整轴应力分布的均匀化,从而达到提高曲轴的强度,减少曲轴疲劳断裂失效的目的。
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