毕业设计（论文）-某型乘用车发动机曲轴设计.docx

某型乘用车发动机曲轴设计本文针对大众EA888-DKV发动机，利用CaJia对曲轴进行参数化建模，并导入ANSYS中对其进行静力学分析、模态分析和疲劳分析，讨论曲轴在发动机最大爆发压力点时的应力、变形和疲劳情况“有限元分析结果表明，曲抽处的大爆发压力点时，曲柄与曲柄销和主轴颈连接处的应力最为集中，以第二缸点火时的应力最大，数值为103.66MPa,但最大应力远远小于材料的屈服极限740MPa：最大变形量出现在第一平衡重处，为0.13266nm.曲轴以第二缸点火时刻最大应力循环时的疲劳寿命最低,为1.712X10%能够满足曲轴使用寿命的要求.通过改进材料和结构，曲轴的质量分别减少/9.7%和10.6%,最大应力值分别为K)4.42MPa和I14.(MMPib虽然最大应力略有增加,但仍远小F材料的屈服极限，能够在实现轻址化的同时满足曲轴的使用要求.，这些改进对曲轴轻量化设计和应力优化方面有一定的参考意义.关俄词：曲轴：静力分析：模态分析：疲劳分析：有限元：轻量化AbstractinIhiSpaper,theVo1.kswagenEA888-DKVenginewasc1.>sentoinvestigate,thethree-dimensiona1.mode1.ofcrankshaftwasestab1.ishedbyCatia,andthestaticana1.ysis,moda1.ana1.ysisandfatigueana1.ysisofthecrankshaftwerecarriedoutwithANSYS.soasIodiscussthestresses,deformationandfatigueoftheCrankshat1.at(hemaximumbursipressurepointoftheengine.Theresu1.tsoffinitee1.ementana1.ysisshowedthatwhenthecrankshaftwasatthemaximumburstpressurepoint,thestressattheconnectionofthecrank,c11nkpinandspind1.eneckwasthemostconcentrated,andthestressat(heignitionof(hesecondcy1.inderisthe1.argest,(heva1.uewas103.66MPa.bu1.1.hcmaximumstresswasfar1.essthantheyie1.d1.imitof1.hcma1.cria1.,whichwas740MPa.Themaximumdeformationoccurredatthefirstequi1.ibriumweight,whichwas0.13266mm.Thefatigue1.ifeofthecrankshaftwasthe1.owestwhenthemaximumstresscircu1.atesattheignitiontimeof(hesecondcy1.inder,whichis1.7I2×I()12,whichcaninee1.erequirementsoftheservice1.ifeofthecrankshaft.Byimprovingthemateria1.andstructure,theweightofcrankshaftwasreducedby9.7%and10.6%,andthemaximumstressWaS104.4MPaand114.04MPa,respective1.y.A1.thoughthemaximumstresswass1.ight1.yincreased,itwass(i1.1.far1.essthantheyie1.d1.imitofthemateria1.,whichcou1.dmeettherequirementsofthecrankshaftwhi1.eachieving1.ightweight.Theseimprovementshavesomereferencesignificancetothedesignof1.ightweightcrankshaftandstressoptimization.Keywords：Crankshaft：Staticana1.ysis：Moda1.ana1.ysis：/Xna1.ysisoffatigue；Finitee1.ementana1.ysis：1.ightweight目录摘要1Abstract11第I章绪论1研究背景I 研究现状I 研究意义和内容2第2章曲轴飞轮组的设计35.1 曲轴男轮组的功能35.2 曲轴的设计要求35.3 曲轴的设计3J发动机参数32曲轴设计4 曲轴的构型及材料选择4 曲柄销的设计5 主轴颈的设计5 曲柄的设计5 平衡重的设计6 油孔的设计65.4曲轴飞轮组其他部件的设计7J皮带轮的设计7 皮带轮类型及材料的选择7 皮带轮尺寸的计算72正时齿轮的设计8正时齿轮材料的选择82.4.2.1正时齿轮尺寸的计算8?飞轮的设计9第3章曲轴边界条件的确定IO41栽荷边界IO(a) 连杆作用力10 气缸内的气压力I1. 活塞组惯性力12 连杆旋转惯性力12(b) 输出1矩的反作用扭14(C)曲轴的重力14手约束条件14第4章曲轴有限元分析及改进15104.42 曲轴性能评价方法15104.43 曲轴静力分析151.1 .2静力仿真结果分析151.2 .1约束条件及加载方式151.3 .3静强度安全系数校核17104.44 曲轴模态分析170自由模态分析17b约束模态分析19104.45 曲轴疲劳分析21104.46 曲轴的改进220材料的改进22h结构的改进27第5章总结与展望325.1 总结325.2 展望33参考文献M致谢36第1章绪论4.18 研究背景曲轴是汽车发动机中的核心部件，只有强度、刚度满足设计要求的曲轴，才能保证发动机在不同工况下稳定运转.随着市场竞争变得日趋激烈，以往通过不断试验来测试产品性能的方法已不再适用，有限元分析方法能够大大减少产品的开发周期，节约成本，为曲轴的设计开发提供了新思路.4.19 研究现状目前国内外学者对曲轴进行了诸多方面的研究，包括曲轴模态分析、疲劳失效分析、振动特性分析等。本文主要对曲轴进行静、动态有限元分析，以得到曲轴关键部位的应力分布，从而对其进行改进.时曲轴的净、动毂荷分析，目前常用的方法是对曲轴进行参数化建模，然后再导入有限元分析软件进行仿其模拟。在曲轴静力分析方面，许多学者已经做了研究。在通过改进曲轴结构来减小最大应力方面，国内的贺洋洋等人将曲轴模里导入ANSYS进行有限元分析，通过仿真结果对其进行优化设计，优化后的曲轴结构最大变形量减少了7.18%,最大应力减少了27.04%：柏桶利用ANSYS建模并进行有限元分析，通过仿真模拟得出，当曲轴右侧受力的时候，轴的根部受力最大，容易造成曲轴发生损坏，并选择以倒角的形式进行改进：国外的V.C.Shahane和R.S.PaWar利用ANSYS模拟仿真后,对曲轴进行优化设计,优化后的曲轴有助于提高发动机的性能，在原来曲轴的基础上可以减少4.37%的重量”力。随着技术的进步，在对曲轴进行有限元分析后，除了对结构进行优化设计以外，还可以通过改进材料来提升曲轴的性能。文怀军等人通过对比各种常用材料，将曲轴的选材由锻钢改为球黑铸铁，改进后的曲轴能够满足使用要求。在曲轴动态分析方面，常用的方法是对曲轴进行模态分析。薛隆海采用约束模态分析法,通过ANSYS仿真得到曲轴的各阶固有领率和振型，为曲轴结构设计时避开共振提供参考叫杨佳敏等人通过对曲抽进行模态分析，发现中频段振动、而频段振动、低频段振动对曲轴工作的静响程度将逐渐减弱阴。国内外相关研究表明，疲劳失效是曲轴破坏的主要形式。ZhiwciYu和XiaOICiXU对某卡车柴油机曲轴的失效进行了研究，研究表明，疲劳是曲轴失效的主要机制，实验表明机械磨削应逆慎进行，并控制磨削量，以避免磨削氮I化层，防止料-腹板园角区域发生.疲劳失效,w;国外的MFonte等人以某汽车曲轴的灾难性故障为例，进行了失效分析.研究表明曲轴材料的选用至关重要I网。了解曲轴疲劳失效的有关机理，对后期曲轴的优化设计会有所帮助。上述对曲轴的研究分析睁动力学偏多，且多集中在疲劳失效方面，对于曲轴轻量化以及疲劳分析研究还有待深入，本论文聘会在上述研究的方法嵯础之上对曲轴进行有限元分析，以期待在轻量化设计方面提供合理的方案。4.20 研究意义和内容随着汽车发动机性能得到不断优化，对曲轴工作环境、性能参数的要求也越来越富。在发动机工作时，曲轴受到旋转质量的高心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转我荷，在过渡圆角处会产生应力集中现象，有必要对曲轴进行相关的强度分析。本文将依次对发动机四个冲程下的曲轴进行静强度分析，并对曲轴进行模态分析和疲劳分析，为曲轴的设计提供参考.第2章曲轴飞轮组的设计（八）曲轴飞轮组的功能曲轴K轮组包括曲轴、K轮、正时齿轮、皮带轮等部件，是发动机的重要组成之.它的作用是将活塞的往夏周期运动转变为曲轴的旋转运动，通过K轮将发动机的扭矩传递给离合器，为汽车提供动力，同时还能够储存能垃，使发动机的运转更加平稔.曲轴的设计要求图2.1曲轴飞轮组根据曲轴的工作条件和性能要求，在设计时需要注意以卜.几点：4 保证曲轴要有足够的疲劳强度、弯曲刚度和扭转刚度：5 保证曲轴要有定的耐磨性，各轴颈应有足够的承压能力：6 合理选择曲轴的材料和结构，以辍解应力集中现象、降低生产成本。(C)曲轴的设计发动机参数表2.1发动机参数参数数值1ft(m1.)1984功率/(kW)140最高功率转速4200/(rmin)6000转矩/(Nm)320最高转矩转速1450-/(7min)4200缸径D(mm)82.5冲程/(mm)92.8压缩比11.65根据本次工作的研究目的及意义，查找汽车维修技术网,所选取的大众E888-DKV发动机参数如表2.1所示。曲轴设计曲轴的构型及材料选择以曲轴制造方法和组合形式的不同进行分类，可分为整体式曲轴和组合式曲轴两种。整体式曲轴工作可苑、重显轻，具有较高的强度和刚度，是中小型发动机曲轴最常见的结构形式内.以曲轴主轴颈的数砥进行分类，则可分为全支承的轴和非全支承曲轴两种.全支承曲轴具有刚度大、弯曲强度高，能有效减轻主轴承的我荷等优点。目前，这两种支承形式的曲轴都可以应用在汽油机上。*ru11*至支承的M图2.1曲轴支承形式曲轴的材料一般要求具有较高的强度、冲击韧度和耐磨性，目前常用的材料有两种，分别是高强度合金钢和球墨铸铁。本工作设计的是乘用车发动机曲轴，结合发动机的参数.选择设计整体式全支承的轴，初选材料40CrM0,其性能参数如表2.2所示。表2.240CrMO性能参数材料参数数值密度p(kgm3)7850弹性模量210EZ(GPa)泊松比0.3屈服强度740(MPa)抗拉强度9206(MPa)