中北大学2010届毕业设计说明书
摘 要
曲轴是汽油机的重要零件，其强度和刚度直接影响到整机的工作性能。因为曲轴的结构形状比较复杂，曲拐的受力又在发生周期性的变化，所以运用经典力学对其进行强度和刚度计算有一定的困难。计算机技术的飞速发展使得有限元法在曲轴的强度、刚度计算中得到了广泛应用。
因此，本次设计中对6V150柴油机整体曲轴运用Pro/e建立了符合实际情况的三维模型，导入Ansys对其进行了有限元分析，分析了整体曲轴的受力，并且对曲轴单拐有限元模型的应力状态进行了研究，为曲轴的优化设计提供一定的参考依据。 关键词:曲轴，有限元，静强度分析，多体动力学
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ABSTRACT
The crankshaft is an important part of the gasoline engine. Its strength and rigidness have direct influence upon the properties of the whole machine. Since the structure and the shape of the crankshaft are complicated and the loads vary periodically，it is difficult to calculate its strength and rigidness using classical mechanics. With the rapid development of computer technology, FEM is widely used in the field of strength and rigidness analysis of the crankshaft.
So, This design set up a three-dimensional model of 6V150 diesel engine crankshaft corresponding to the practical conditions by Pro/e, and then carry out the finite element analysis of the crankshaft by Ansys. The stress of both the whole crankshaft and the single crank were studied therefore the valuable theory basis is provided for optional design. Keywords: Crankshaft; FEM; Static Strength Analysis; Modal Analysis; Multi-body System dynamic Analysis
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1 绪论
1.1 曲轴组设计背景
伴随着汽车工业的发展，我国的发动机曲轴生产得到较大的发展，总量已具相当的规模，无论是设计水平，还是产品品种、质量、生产规模、生产方式都有很快的发展。曲轴在发动机中是承受载荷传递动力的重要零部件，也是发动机五大零部件中最难以保证加工质量的零部件，其性能水平直接影响发动机的性能水平及可靠性。因此，各工业发达国家十分重视曲轴的生产，不断改进其材质及加工手段，以提高其性能水平，满足发动机行业的需要。近几年来，国内曲轴加工发展十分迅速。尤其是大功率柴油机曲轴。
曲轴是发动机中最重要的机件之一。它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整休尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构设计改进中，曲轴的设计改进也占有重要地位。随着内燃机的发展与强化，使曲轴的工作条件愈加苛刻。因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重，在设计曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得最经济最合理的效果[1]。 1.2 曲轴组设计的国内外现状
曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，在发动机五大件中最难以保证加工质量。由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。随着WTO的加入，国内曲轴生产厂家已经意识到形势的紧迫性，引进了为数不少的先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴的制造技术水平有了大幅提高，特别是近5年来发展更为迅猛。
随着科学技术的进步，对曲轴强度的核算已经从早期的经验计算发展到应用有限元分析上来。在核算曲轴强度的过程中简支梁单拐的计算基本上已经淘汰不用，而应用连续梁与有限元计算相结合的方法是普遍分析计算的手段。应用有限元计算模型计算出曲轴的应力集中系数，避免以往使用经验图表计算应力集中系数产生的误差和计算方法本身的误差。使计算分析结果更加贴近实际的曲轴的工作情况。
有限元技术的发展使计算复杂形状曲柄的刚度变得简单和准确起来，这改变了以往
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计算产生的误差，而PRO/E等三维软件的使用，使整个当量系统的质量计算更加贴近实际。
有限元软件的应用大大提高了轴系分析的精度。但以上的分析还未冲破传统、经典的分析范畴。国外目前著名的发动机咨询公司AVL、RICARDO都开发了专门的发动机整机分析软件，把整个发动机作为一个整体的模型进行计算分析，缸体、曲轴、轴承等部件作为弹性体，用有限元计算出其刚度矩阵输入计算模型从而计算出整个发动机的安全系数、油膜情况，发动机整机振动、曲轴的扭转振动、弯曲振动及各零部件的振动模态。而国内的这方面的工作才刚刚开展[2]。
在曲轴的设计上国内的学者也一直在做着努力，例如：王小臣老师以16V240柴油机曲轴为例,在PRO/E中进行三维实体建模；利用有限元分析软件ANSYS分析了曲轴的变形和应力状态并校核了曲轴的静强度与疲劳强度,为柴油机曲轴的结构优化设计提供了有价值的参考依据[3]。华北工学院张保成,苏铁熊,董小瑞老师研制一套先进的曲轴组CAD集成系统,应用于曲轴组零部件设计的全过程,为发动机曲轴的研制提供先进、实用、现代化的手段和工具。该曲轴组CAD集成系统通过对国内外典型CAD软件的分析和评价,最终选择了I2DEA SM aster Series作为CAD支撑软件,以VC++6.0为接口编程语言,系统的开发平台选择了Windows NT网络操作系统[4]。 1.3 研究的目的和意义
曲轴是发动机中的重要零件，工作环境恶劣，特别是对于车用柴油机来说，曲轴的加工精度和韧度、强度要求都比一般零件高。正是因为曲轴质量的好坏对柴油机的性能产生着直接的影响，我国柴油机主机企业基本上都自制曲轴。国内曲轴系列化、通用化和规范化程度很低，即使同一型号的曲轴，零件图纸的技术标准也各有差异，互不通用。国内曲轴产品设计的混乱状况，给用户的使用选择带来了很大困难。由此可见，根据发动机的工况条件及发展趋势，设计出一套列系列化、通用化的曲轴，以供各式发动机设计匹配时选用，是发动机曲轴设计的未来之路。正确合理的曲轴设计对发动机运行性能有着重要的影响[5]。
1.4 说明书涉及的主要内容以及各章节的分配
根据本次设计的要求，本说明书的主要内容包括以下三方面：
1.在考虑气体载荷和惯性力载荷的情况下对曲柄连杆机构进行受力分析。
2.在分析单拐受力状态的基础上，设计满足该机型的曲轴组（包括曲轴、平衡重）。
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3.采用有限元分析法对所设计的曲轴结构进行强度校核计算，最终确定符合强度要求的曲轴。
各章节的内容的分配及所相关理论知识概述：
第一章绪论简要介绍曲轴设计背景、国内外现状、研究目的及意义。
第二章主要分析了曲柄连杆机构受力的情况，以及作用在曲柄销和主轴颈上的作用力，本章内容主要涉及的理论知识有曲柄连杆机构的运动学和动力学。
第三章主要是对本次设计曲轴的工作条件的分析、结构型式的设计和材料的选择，本部分主要完成了曲轴各部分结构尺寸的确定和曲轴三维图及二维图的绘制。
第四章对所设计的曲轴进行了强度的校核，其中运用了Ansys软件，对所建立的模型进行有限元的分析。本部分简要对有限元分析法以及Ansys软件做了简要的介绍。完整的描述了分析的整个过程，并根据分析所得的结果最终确定符合强度要求的曲轴。
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