6135柴油机整体式曲轴设计【字数：12638】
发动机中曲轴和活塞连杆组的作用是将作用在活塞顶部的高压气体力转化为输出扭矩，为车辆提供动力。本课题的主要研究内容是曲轴对柴油机可靠性的影响以及曲轴强度分析在内燃机曲轴设计中的重要性。本课题的主要设计对象是6135柴油机整体曲轴。讨论了将6135组合曲轴改为整体曲轴的可行性。根据6135柴油机的性能参数，完成了曲轴的设计计算，并最终完成了曲轴的二维绘图。利用CATIA软件建立了曲轴的三维模型。将模型导入到ANSYS中，利用大型有限元分析软件ANSYS中的表格模块，得到了应力应变图和安全系数。将安全系数与计算的强度检查结果进行比较，以保证曲轴的安全性和可靠性。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2国内外柴油机曲轴的研究现状 1
1.3本文主要研究内容及需要解决的问题 2
第二章 软件介绍 3
2.1三维建模软件CATIA介绍 3
2.2ANSYS 3
2.3本章小结 3
第三章 6135柴油机曲轴的工作原理及设计方案 4
3.1曲轴的结构设计 4
3.1.1曲轴的材料 4
3.1.2曲轴结构设计 4
3.2曲轴的工艺分析 4
3.2.1曲轴的机械加工技术 4
3.2.2曲轴的强化工艺技术 5
3.3本章小结 5
第四章 6135柴油机曲轴的分析概述 7
4.1曲轴模型建立 7
4.1.1 CATIA或者其他三维CAD软件建模 8
4.1.2 ANSYS建模 10
4.1.3有限元网格划分 10
4.1.4确定边界条件，施加载荷 11
4.1.5三维有限元分析，求解计算 14
4.1.6分析结果 14
4.2曲轴强度的校核 18
4.2.1静强度安全系数校核 18
4.2.2疲劳强度安全系数校核 18
4.3拉伸强度实验和弯曲强度实验 19
4.3.1拉伸强度试验 19
4.3.2弯曲强度实验 19
4.4本章小结 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
20
第五章 总结与展望 21
5.1总结 21
5.2展望 21
参考文献 23
致谢 24
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
曲轴是用于驱动车辆、船舶和其他运输车辆的重要动力源。并且是发动机输出功率的核心部件。曲轴的作用是把燃气作用在活塞顶上的力转变为发动机的转矩，再通过减速装置和差速装置输出到汽车的驱动轮上、同时也为发动机的其他辅助装置提供动力。曲轴在工作时的工况是极其复杂的。由于发动机的曲柄连杆机构是在高温高压的环境下做变速运动，因此它在工作时的受力情况很复杂。其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等 [16]。
曲轴是内燃机的关键部件，需要承受发动机内部的各种载荷，这样才能达到传递动力的目的。同时在发动机的五个核心部件中也是最难加工，加工要求最高的。而曲轴由于其苛刻的工作环境，必须具有精度高、强度大、寿命长、经济性合理等特点。可以毫不夸张的说，发动机的使用寿命直接取决于曲轴的使用寿命。由此可见其在发动机大科学中的重要地位 [1]。因此，行业内各大企业都在对曲轴的加工工艺不停的进行探索改进 [16]，以期能够最大限度的延长曲轴使用寿命。在曲轴长期高速运行的情况下，容易发生早期故障或破损，这严重影响曲轴的使用寿命和整个机器的可靠性。曲轴的形状和尺寸对曲轴的弯曲疲劳强度和扭转刚度有重要影响。因此，在设计曲轴时必须充分考虑内燃机的结构强度。
目前行业内主要采用球墨铸铁和钢作为曲轴的主要原材料。站在经济性的角度来考虑，球墨铸铁曲轴的加工制造成本只有钢材料的三分之一、且球磨铸铁的切削性能良好,易于加工能够较容易地获得理想的结构形状。同时钢曲轴样品可用于各种热处理和表面强化处理，能够很好满足曲轴的强度要求。所以，球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应用[17]。据统计，英国的85％，日本的60％。在德国、比利时等国家也广泛使用。超过85%的中小型柴油机都是球墨铸铁曲轴，而锻钢曲轴主要用于功率超过160kw的发动机曲轴。
本文设计了6135柴油机整体式曲轴的结构，在前人研究成果的基础上，利用ANSYS CATIA等二维和三维软件对6135柴油机整体式曲轴进行了结构分析，并对其强度进行了验证，为以后学者的进一步研究和分析提供了理论依据。
1.2国内外柴油机曲轴的研究现状
早在20世纪30年代，许多国外机构就对曲轴强度进行了相关的实验研究。随着内燃机的广泛应用，各国的设计人员和开发人员对曲轴的可靠性等指标提出了更高的要求。中冷增压技术的实现大大增加了曲轴轴颈负荷，并且曲轴疲劳强度不足的问题日益突出。一般来说，曲轴首先进行“参数试验”，然后通过建立静强度与疲劳强度的关系来检验曲轴的疲劳强度。
早在19571958年间，德国的Starr就在实验室对曲轴参数进行了一系列的测试。通过分析，得出了曲轴参数对曲轴圆角形状的影响，并绘制了相应的曲线。然后，W.Knoch和H.Hasselgruber根据Starr的实验数据分析了无量纲参数对弯曲和扭转形状参数的影响。通过对公式语言的描述和影响曲线的绘制，给出了获得曲轴最大应力数据的方法。在曲轴性能研究中，英国威尔逊对曲轴结构强度与振动的关系做出了重要贡献。来自日本科的学家研究了曲轴的振动强度、静弯曲、疲劳强度、扭转形状因子和实际工作应力测量。
中国加入WTO后，国内生产企业引进了先进的曲轴制造设备和加工技术，以通过产品的性价比提高竞争力，为了获得更大的海外市场，曲轴加工制造技术得到了很大发展。国内许多学者对曲轴的设计做出了相应的贡献：董建伟教授对曲轴在发动机运转中的相关性能进行了分析，并在实验中绘制了发动机运转的性能变化曲线，以反映曲轴在发动机运转中的运动规律。高云泉、李桂芬、陈先辉、张俊华、徐桃源在三维软件中建立了直列四冲程发动机模型。增加约束条件后，对曲轴进行静态分析，确定曲轴的危险位置并提出相应的优化措施，为曲轴的合理设计提供参考。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2国内外柴油机曲轴的研究现状 1
1.3本文主要研究内容及需要解决的问题 2
第二章 软件介绍 3
2.1三维建模软件CATIA介绍 3
2.2ANSYS 3
2.3本章小结 3
第三章 6135柴油机曲轴的工作原理及设计方案 4
3.1曲轴的结构设计 4
3.1.1曲轴的材料 4
3.1.2曲轴结构设计 4
3.2曲轴的工艺分析 4
3.2.1曲轴的机械加工技术 4
3.2.2曲轴的强化工艺技术 5
3.3本章小结 5
第四章 6135柴油机曲轴的分析概述 7
4.1曲轴模型建立 7
4.1.1 CATIA或者其他三维CAD软件建模 8
4.1.2 ANSYS建模 10
4.1.3有限元网格划分 10
4.1.4确定边界条件，施加载荷 11
4.1.5三维有限元分析，求解计算 14
4.1.6分析结果 14
4.2曲轴强度的校核 18
4.2.1静强度安全系数校核 18
4.2.2疲劳强度安全系数校核 18
4.3拉伸强度实验和弯曲强度实验 19
4.3.1拉伸强度试验 19
4.3.2弯曲强度实验 19
4.4本章小结 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
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第五章 总结与展望 21
5.1总结 21
5.2展望 21
参考文献 23
致谢 24
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
曲轴是用于驱动车辆、船舶和其他运输车辆的重要动力源。并且是发动机输出功率的核心部件。曲轴的作用是把燃气作用在活塞顶上的力转变为发动机的转矩，再通过减速装置和差速装置输出到汽车的驱动轮上、同时也为发动机的其他辅助装置提供动力。曲轴在工作时的工况是极其复杂的。由于发动机的曲柄连杆机构是在高温高压的环境下做变速运动，因此它在工作时的受力情况很复杂。其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等 [16]。
曲轴是内燃机的关键部件，需要承受发动机内部的各种载荷，这样才能达到传递动力的目的。同时在发动机的五个核心部件中也是最难加工，加工要求最高的。而曲轴由于其苛刻的工作环境，必须具有精度高、强度大、寿命长、经济性合理等特点。可以毫不夸张的说，发动机的使用寿命直接取决于曲轴的使用寿命。由此可见其在发动机大科学中的重要地位 [1]。因此，行业内各大企业都在对曲轴的加工工艺不停的进行探索改进 [16]，以期能够最大限度的延长曲轴使用寿命。在曲轴长期高速运行的情况下，容易发生早期故障或破损，这严重影响曲轴的使用寿命和整个机器的可靠性。曲轴的形状和尺寸对曲轴的弯曲疲劳强度和扭转刚度有重要影响。因此，在设计曲轴时必须充分考虑内燃机的结构强度。
目前行业内主要采用球墨铸铁和钢作为曲轴的主要原材料。站在经济性的角度来考虑，球墨铸铁曲轴的加工制造成本只有钢材料的三分之一、且球磨铸铁的切削性能良好,易于加工能够较容易地获得理想的结构形状。同时钢曲轴样品可用于各种热处理和表面强化处理，能够很好满足曲轴的强度要求。所以，球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛的应用[17]。据统计，英国的85％，日本的60％。在德国、比利时等国家也广泛使用。超过85%的中小型柴油机都是球墨铸铁曲轴，而锻钢曲轴主要用于功率超过160kw的发动机曲轴。
本文设计了6135柴油机整体式曲轴的结构，在前人研究成果的基础上，利用ANSYS CATIA等二维和三维软件对6135柴油机整体式曲轴进行了结构分析，并对其强度进行了验证，为以后学者的进一步研究和分析提供了理论依据。
1.2国内外柴油机曲轴的研究现状
早在20世纪30年代，许多国外机构就对曲轴强度进行了相关的实验研究。随着内燃机的广泛应用，各国的设计人员和开发人员对曲轴的可靠性等指标提出了更高的要求。中冷增压技术的实现大大增加了曲轴轴颈负荷，并且曲轴疲劳强度不足的问题日益突出。一般来说，曲轴首先进行“参数试验”，然后通过建立静强度与疲劳强度的关系来检验曲轴的疲劳强度。
早在19571958年间，德国的Starr就在实验室对曲轴参数进行了一系列的测试。通过分析，得出了曲轴参数对曲轴圆角形状的影响，并绘制了相应的曲线。然后，W.Knoch和H.Hasselgruber根据Starr的实验数据分析了无量纲参数对弯曲和扭转形状参数的影响。通过对公式语言的描述和影响曲线的绘制，给出了获得曲轴最大应力数据的方法。在曲轴性能研究中，英国威尔逊对曲轴结构强度与振动的关系做出了重要贡献。来自日本科的学家研究了曲轴的振动强度、静弯曲、疲劳强度、扭转形状因子和实际工作应力测量。
中国加入WTO后，国内生产企业引进了先进的曲轴制造设备和加工技术，以通过产品的性价比提高竞争力，为了获得更大的海外市场，曲轴加工制造技术得到了很大发展。国内许多学者对曲轴的设计做出了相应的贡献：董建伟教授对曲轴在发动机运转中的相关性能进行了分析，并在实验中绘制了发动机运转的性能变化曲线，以反映曲轴在发动机运转中的运动规律。高云泉、李桂芬、陈先辉、张俊华、徐桃源在三维软件中建立了直列四冲程发动机模型。增加约束条件后，对曲轴进行静态分析，确定曲轴的危险位置并提出相应的优化措施，为曲轴的合理设计提供参考。
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