中型普通車床主軸箱設(shè)計(jì)【Dmax=350mm Nmin=212r-minN=5.5KW φ=1.26 Z=8】,Dmax=350mm Nmin=212r-min N=5.5KW φ=1.26 Z=8,中型普通車床主軸箱設(shè)計(jì)【Dmax=350mm,Nmin=212r-min,N=5.5KW,φ=1.26,Z=8】,中型 附件1：外文資料翻譯譯文 主軸平衡力和曲軸彎曲應(yīng)力的研究 關(guān)鍵詞： 平衡力 曲軸模型 平衡率 軸承負(fù)荷 彎曲應(yīng)力 摘要： 在這項(xiàng)研究中，使用了多體系統(tǒng)仿真程序ADAMS。研究同軸6缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上平衡物的質(zhì)量和位置對主軸負(fù)荷和彎曲應(yīng)力的影響，在分析中，用剛性，梁和曲軸三維實(shí)體模型對主軸承負(fù)荷和三維實(shí)體模型進(jìn)行了比較，在平衡力的分析中使用了橫梁模型。平衡角為零的平衡物和平衡角為30的平衡物，它們的平衡率認(rèn)為是0％，50％和100％。而且研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著最大主軸承負(fù)荷和彎曲應(yīng)力增加，平衡率的增加和平均主軸承平衡率隨負(fù)載隨之減少。兩種結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出同樣的趨勢。從軸承負(fù)載和網(wǎng)站彎曲應(yīng)力的表列中可以看出來，與慣性力的負(fù)荷相比氣體壓力對曲軸設(shè)計(jì)的影響更為顯著。 2007科學(xué)版權(quán)有 1 . 導(dǎo)言 新的內(nèi)燃機(jī)引擎必須具有很高的電力，燃油經(jīng)濟(jì)性好，體積小的發(fā)動(dòng)機(jī)，能減少對環(huán)境的污染。因此，引擎每個(gè)部分的整體性能和效果都需要仔細(xì)的調(diào)查改進(jìn)。內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要負(fù)責(zé)為電力生產(chǎn)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著重要的影響。 曲軸系統(tǒng)主要由活塞銷，活塞連接連桿，曲軸，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)阻尼器和飛輪構(gòu)成的。平衡物放置在每個(gè)曲柄的對面用來平衡旋轉(zhuǎn)慣性力。一般而言，平衡物的設(shè)計(jì)其平衡率為50％至100％。為了可承受最大值和平均主軸承載力，平衡物的質(zhì)量和他們的位置很重要。最大值和平均發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承載力取決于氣缸的壓力，平衡物的質(zhì)量，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他曲軸幾何參數(shù)。 對內(nèi)燃機(jī)曲軸的研究主要集中振動(dòng)和應(yīng)力分析上。盡管曲軸壓力分析可以查看文獻(xiàn)資料，但是沒有平衡物對主軸負(fù)載和曲軸壓力的影響這方面的研究文獻(xiàn)資料。夏普采用剛性模型研究了V - 8發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的平衡，優(yōu)化了平衡力來盡量減少主軸的承載負(fù)荷。斯坦利和塔拉扎采用剛性曲軸模型和理想通過研究獲得的4到6缸對稱行發(fā)動(dòng)機(jī)的最高和平均主軸承的負(fù)荷，估算出理想的平衡物質(zhì)量，和在可接受范圍內(nèi)的最大負(fù)載所造成得影響。在用剛性曲軸模型分析平衡力時(shí)，如果不考慮對曲軸主軸承的彈性效應(yīng)會導(dǎo)致極大的錯(cuò)誤。因此，廣泛對平衡物在主軸負(fù)載和曲軸壓力所產(chǎn)生的影響的研究仍然是很重要的。 在這項(xiàng)研究中，對軸向六缸柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)上的平衡物的位置和質(zhì)量進(jìn)行了研究。在對平衡角為零的平衡物和平衡角為30的平衡物，其配重平衡率為0％，50％和100％的的主軸的承載負(fù)荷和曲軸彎曲應(yīng)力的最大值和平均值計(jì)算中，使用多體系統(tǒng)仿真程序， ADAMS/引擎，進(jìn)行了分析。模擬平均轉(zhuǎn)速在1000-2000范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)。 2. 發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格 表1給出直列6缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格。 9.0升發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸有8個(gè)平衡物在曲柄上1，2，5，6，7，8，11和12。用Pro / E繪制三維曲軸實(shí)體模型如圖1所示，圖中給出了曲軸的示意圖。表2中給出曲柄行程的性質(zhì)。表3給出曲柄的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。 表1 發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格 單位 9.0升發(fā)動(dòng)機(jī) 孔徑 mm 115 沖程 mm 144 氣缸軸向距離 Mm 134 峰值發(fā)射壓力 MPa 19 額定功率轉(zhuǎn)速 kw/rpm 295/2200 最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 Nm/rpm 1600/1200-1700 主要雜志/針直徑 mm 95/81 點(diǎn)火順序 - 1-5-3-6-2-4 飛輪質(zhì)量 kg 47.84 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Kg mm2 1.57E+9 TV阻尼環(huán)的質(zhì)量 kg 4.94 TV damper housing質(zhì)量 kg 6.86 Moment of inertia of the ring kg mm2 1.27E+9 Moment of inertia of the housing Kg mm2 0.56E+9 表2 曲柄行程性質(zhì) 1 2 3 4 5 6 質(zhì)量（kg） 12.50 9.25 12.50 12.50 9.28 12.55 重心位置的曲柄旋轉(zhuǎn)軸(mm) 12.423 31.435 11.967 11.966 31.027 11.702 靜態(tài)不平衡(kg mm) 155.265 290.767 149.734 149.734 287.871 146.856 表3 曲軸系統(tǒng)數(shù)據(jù) 曲柄半徑（mm） 72 連桿長度(ｍｍ) 239 質(zhì)量完全活塞(ｋｇ ) 3.42 連桿往復(fù)質(zhì)量( ｋｇ ) 0.92 往復(fù)式質(zhì)量（每個(gè)氣缸總） (ｋｇ　　) 4.32 連桿轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量（?。耄?） 2.01 3. 曲軸系統(tǒng)建模 用ADAMS/發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸，可以建立四個(gè)不同的模型方式：剛性曲軸，扭靈活的曲軸，橫梁曲軸和曲軸三維實(shí)體。剛性曲軸模型主要用于獲取自由的力和力矩，來達(dá)到平衡的目的。扭靈活的曲軸模型用于研究扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。橫梁曲軸模型是代表扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度曲軸，用梁模型可以計(jì)算出彎曲應(yīng)力。彈性曲軸三維實(shí)體模型，可使用額外的有限元程序。該過程是漫長的而費(fèi)時(shí)，通常自由度以百萬計(jì)的。為了簡化有限元模型，我們使用模態(tài)疊加技術(shù)。彈性變形結(jié)構(gòu)是近似的線性組合可表現(xiàn)為模式如下： U=∮q (1) 其中q是模態(tài)向量的坐標(biāo)和∮是形狀函數(shù)矩陣。 彈性體包含兩種類型的節(jié)點(diǎn)，在多體仿真系統(tǒng)（MMS）結(jié)構(gòu)的邊界和焦點(diǎn)的交換處的接口節(jié)點(diǎn)，和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。在MSS中對彈性體的位置和彈性變形是由疊加法計(jì)算的。在ADAMS，是用以Craig–Bampton 方法為基礎(chǔ)的模態(tài)綜合技術(shù)。這種組件模式包含了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)。這些模式的約束模式是通過給每個(gè)DOF一個(gè)位移而發(fā)生靜態(tài)變形，同時(shí)保持其他所有接口自由度固定，固定邊界是解決方案的特征值，我們用固定整個(gè)界面的自由度來解決這個(gè)問題。模態(tài)在物理自由度和Craig–Bampton模式之間轉(zhuǎn)換，這種模型是通過他們的模態(tài)坐標(biāo)來描述： 式中的UB和U1分別代表著邊界自由度和內(nèi)部自由度的列向量，Ｉ﹑Ｏ分別表示恒等式和零矩陣，∮C表示在約束模式中物理位移的內(nèi)部自由度的矩陣，∮n表示在正常模式中物理位移的內(nèi)部自由度的矩陣，qc表示在約束模式中列向量的模態(tài)坐標(biāo)，qn表示在固定邊界的正常模式中列向量的模態(tài)坐標(biāo)，我們?yōu)榱四艿玫椒蛛x設(shè)置的模式，通常將約束模式和正常模式正交。 在MSC.Nastran利用模態(tài)疊加技術(shù)可以得到9.0升發(fā)動(dòng)機(jī)的彈性曲軸三維實(shí)體模型。首先，圖中所示是曲軸的三維實(shí)體模型，1是曲軸的有限元模型，特點(diǎn)是它有30萬十節(jié)點(diǎn)四面體和5000000節(jié)點(diǎn)。曲軸的模態(tài)模式具有三十二個(gè)邊界自由度和十六個(gè)接口節(jié)點(diǎn)。從靜態(tài)分析中得到的模態(tài)模式與這些自由度相符合。 獲得柔性曲軸模型是通過模態(tài)綜合考慮了40個(gè)固定邊界正常模式。因此靈活曲軸模式的特點(diǎn)是它總共有72個(gè)自由度，這種模式出口到ADAMS/引擎和曲軸系統(tǒng)模型，如圖。 4. 曲軸系統(tǒng)和平衡力 在內(nèi)燃機(jī)里的作用力可以分為慣性力和壓力，而慣性力可以進(jìn)一步劃分為兩大類：旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)式慣性力。每個(gè)氣缸的旋轉(zhuǎn)慣性力可以用下面的公式表示： 式中的mR 表示旋轉(zhuǎn)質(zhì)量其中包括了曲柄的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)連桿的部分質(zhì)量； rR從曲軸的旋轉(zhuǎn)中心到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的重心的這段距離；W曲軸的角速度，h表示與TDC有關(guān)的曲柄行程的角位置。如果每個(gè)曲柄行程有兩個(gè)平衡力，每個(gè)平衡力的作用力由下式給出； 式中的yi,j表示偏移角；每個(gè)行程有兩個(gè)平衡力。“i”表示了平衡力的數(shù)目。我們要完成對平衡率的評估才能得到配重的大小。如下： 式中的UCW表示每個(gè)配重的靜態(tài)不平衡量；UCrank_throw表示每個(gè)曲柄行程的靜態(tài)不平衡量；mcr-r表示連桿轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量;r表示曲柄半徑；K表示一對內(nèi)部旋轉(zhuǎn)力的不平衡率。下面這個(gè)公式表示在已知曲軸和平衡力大小情況下的平衡率： 對于一個(gè)軸向的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，它的三對曲柄行程分布在對稱軸中心的一百二十度處，旋轉(zhuǎn)力和一﹑二階往復(fù)力處于平衡狀態(tài)。這可以用一﹑二階的向量坐標(biāo)來解釋，如圖4所示。六缸曲軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力和往復(fù)力相互平衡，但是這也導(dǎo)致了內(nèi)部彎矩的產(chǎn)生。高速運(yùn)轉(zhuǎn)，兩個(gè)相同的定向曲柄行程導(dǎo)致中心軸上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)載荷。氣缸的旋轉(zhuǎn)慣性力通?？梢缘窒糠智S對面的平衡力。一般來說，設(shè)計(jì)平衡物時(shí)平衡率在50%到100%之間。 附件2：外文原文