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2100T 型柴油機 曲軸飛輪組優(yōu)化設(shè)計說明書 姓名 封博明 學號 3008201279 專業(yè) 熱能與動力工程 內(nèi)燃機課程設(shè)計任務書 任務 2100T 型柴油機曲軸飛輪組優(yōu)化設(shè)計 組員 封博明 (組長 )、李釗、李星韻、劉建赟、葉文基 步驟 確定優(yōu)化方案、目標、進度 任務分配，細化到個人 查閱相關(guān)專業(yè)書籍和文獻，下載安裝并學習有關(guān)軟件 進行初步優(yōu)化，并和其它小組溝通協(xié)調(diào)，保證裝配條件以 及整體優(yōu)化 按老師要求的時間節(jié)點整理提交階段性總結(jié)報告 任務 封博明 [1] 復習曲軸的結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求 ， 利用 三維建模軟件建 立曲軸的幾何模型 [2] 曲軸的有限元分析，利用 行劃分網(wǎng)格等有 限元前后處理，在 進行求解，得出曲軸 應力應變分布。主要方向是對平衡重的加載、軸頸尺寸 做出優(yōu)化，滿足曲軸工作條件的前提下，也可對不同材 料下的曲軸進行對比。 分配 李釗 應用傳統(tǒng)公式算法對原始尺寸及 優(yōu)化的曲軸進行強度校核 劉建赟 對原柴油機啟動方式進行改進，改 手啟動和電啟動混合啟動方 葉文基 式為純電啟動 ， 在保證柴油機順利啟動的條件下 ， 對飛輪輕量化 。 主 要查閱內(nèi)燃機設(shè)計資料對發(fā)動機啟動臨界點有關(guān)參數(shù)進行確定。 李星韻 曲軸扭振分析 計劃 02/28 ~ 03/02 基礎(chǔ)知識學習，軟件學習 03/04 ~ 03/05 建立曲軸及飛輪三維模型 03/06 ~ 03/08 建立有限元模型 進度 03/09 ~ 03/14 優(yōu)化方案實施 03/15 ~ 03/20 優(yōu)化結(jié) 果合理性檢驗 03/21 ~ 03/23 整理總結(jié) 說明： [1] 首先應以學習為目的， 廣泛閱讀相關(guān)領(lǐng)域書籍、文獻資料； [2] 了解發(fā)動機曲軸力學分析方法，將理論分析與工程實際應用相結(jié)合； [3] 熟練掌握專業(yè)軟件； [4] 嚴格按照制定的工作計劃進行。 曲軸是柴油機中最重要且最昂貴的構(gòu)件，受到不斷周期性變化的氣缸壓力、 往復和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩的共同作用 ， 并對外輸出扭矩 ， 同時還 伴有扭轉(zhuǎn)振動 ， 工作負荷非常大 ， 容易發(fā)生斷裂等破 。 曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲 ， 并 產(chǎn) 生疲勞應力 。 對曲軸來說 ， 彎曲載荷具有決定性作用 ， 而扭轉(zhuǎn)載荷僅占次要地位 （不包括因扭轉(zhuǎn)振動而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)疲勞破壞 ） 。 曲軸破壞統(tǒng)計分析表明 ， 80% 左 右的疲勞破壞是由彎曲疲勞產(chǎn)生的 。 因此 ， 曲軸結(jié)構(gòu)強度研究的重點是彎曲疲勞 強度。 隨著世界經(jīng)濟和科學技術(shù)日新月異的進步 ， 同時在世界范圍內(nèi) ， 環(huán)境保護的 呼聲越來越高 ， 保護生態(tài)環(huán)境法規(guī)的日益嚴格 ， 柴油機正朝著高速 、 低油耗 、 度、 低污染和噪聲以及提高工作可靠性和延長使用壽命的方向不斷發(fā)展 。 柴油機的發(fā) 展和強化 ， 使得曲軸的工作條件越來越苛刻 ， 曲軸 的強度設(shè)計是發(fā)動機設(shè)計中的 一個關(guān)鍵步驟。 內(nèi)燃機的動力學分析 、 強度分析 、 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是天津大學內(nèi)燃機專業(yè)的研 究重點 ， 先后針對軸系 、 機體 、 軸承等發(fā)動機關(guān)鍵部件開展過多次動態(tài)特性研究、 強度可靠性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 2100T 型柴油機概況與主要性能參數(shù) 型號 2100式 立式、水冷、四行程、直接噴射式燃燒室 氣缸數(shù) 2 缸 氣缸直徑 100塞行程 120定功率 1h 功率： 力 12h 功率： 25 馬力 （ 標定轉(zhuǎn)速 2000 轉(zhuǎn) /分鐘 最大扭矩 11 公斤 *米 最大扭矩轉(zhuǎn)速 1500 轉(zhuǎn) /分鐘 標定功率時燃油消耗率 ≦ 195 克 /馬力 *小時 ( 252h ) 標定功率時機油消耗率 ≦ 4 克 /馬力 *小時 壓縮比 16:1 活塞總排量 平均有效壓力 斤 /平方厘米 活塞平均速度 8 米 /秒 氣缸發(fā)火順序（從飛輪端視） 1軸旋轉(zhuǎn)方向（從飛輪端視） 逆時針 啟動方式 手啟動或電啟動 潤滑方式 壓力與飛濺復合式 外形尺寸（長 *高 *寬） 移動式： 555*486*748（毫米） 固 定式： 684*485*806（毫米） 用途 主要用于拖拉機等農(nóng)用汽車動力 2100T 型柴油機曲軸的材料采用高優(yōu)質(zhì)的合金球墨鑄鐵 ， 制造方便 ， 成本低。 曲軸由前端、曲拐、曲軸后端及平衡重組成，主軸頸直徑粗而短，以提高剛度， 主軸頸為空心，曲柄銷也是空心，既可以減少重量，又可以減少離心力。 2100 型是棗核型空腔。 柴油機的動平衡分析 多缸內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時沿著每一氣缸的中心線都作用有往復慣性力 一曲 拐的旋轉(zhuǎn)平臺內(nèi)部都作用有離心慣性力 所謂內(nèi)燃機平衡問題 ，就是研究如何計算它們的合力及合力矩，并研究怎 樣才能把由它們所引起的有害作用減至最小。 動平衡指物體旋轉(zhuǎn)時，物體上的所有換算質(zhì)量的離心力矢量和對于軸線上 的任一點的力矩的矢量和為 0，則物體是動平衡的。 2100T 型柴油機的曲柄圖如下所示 ： （計算公式見設(shè)計書） 所以 2100T 型柴油機的曲軸是動不平衡的，必須在與曲拐相對位置加平衡重。 2100T 型柴油 機的平衡重是直接鑄造出并與曲軸連成一體的。 柴油機曲軸受力的分析 一、 曲軸應力計算的分類 現(xiàn)有的曲軸強度計算都歸結(jié)為疲勞強度計算，其計算步驟分為以下兩步 :一是應 力計算，求出曲軸危險部位的應力幅和平均應力 ;二是 在 此基礎(chǔ)上進行疲勞強度 計算。 由經(jīng)驗可知 ， 曲軸疲勞破壞的位置是 ： 曲柄銷與曲柄臂或主軸頸與曲柄臂的過渡 圓角處 ， 油孔邊緣 。 實踐表明 ， 油孔的安全系數(shù)可以通過正確的設(shè)計和油孔加工 的精度保證，所以不進行油孔處的疲勞計算 二、 常用的應力計算的方法有三種 :傳統(tǒng)法、有限元法。 1. 傳統(tǒng)方法： 傳統(tǒng)應力計算方法可分為兩種 :簡支梁法和連續(xù)梁。簡支梁法計算簡單，使 用方便，連續(xù)梁法計算復雜，但與實測結(jié)果比較吻合。 簡支梁法假定曲軸上的每一曲柄是一個斷開的簡支梁 ， 自由的置于通過兩主 軸承中點的支撐上，如下圖所示。 支承視為剛性簡支 ， 連桿力視為集中力 ， 作用于曲柄銷的中點 ， 軸段間只考慮扭矩的傳 遞 ， 不考慮彎矩的傳遞 。 該方法多年來被普遍使用 ， 是一種簡單易行 ， 充分安全但過于 保 守 的強度計算方法 。 該方法除了上述的過于保守的缺點外 ， 還有一個較大的缺點是不能算出曲 軸銷與主軸連接處的彎曲應力 ， 不能通過計算確定該處的強度狀況 ， 而使過渡圓角的設(shè)計無 可依據(jù)的數(shù)據(jù)，而這恰恰是曲軸設(shè)計應十分注意的問題。 連續(xù)梁法把曲軸簡化為多支承的靜不定連續(xù)梁 ， 如下圖 ， 應用三彎 矩或五彎矩方 程求解。由于假設(shè)的幾何力學模型不同，連續(xù)梁法主要有以下三種 (1) 將曲軸簡化為多支承圓柱形連續(xù)直梁，其直徑與軸頸直徑相同或相當 ; (2) 曲軸作為支承在彈性支承上變截面的靜不定直梁 ; (3) 曲軸作為支承在彈性支承上的靜不定曲梁。 支梁法曲軸計算模型 連續(xù)梁法曲軸計算模型 有限元法分析流程圖 2. 有限元方法： 傳統(tǒng)方法根據(jù)名義應力和應力集中系數(shù)計算曲軸危險部位的應力 。 由于曲軸 形狀復雜 ， 名義應力的準確計算比較困難 ， 而應力集中系數(shù)通常由單拐平面模型 計算或由有限數(shù)量的曲軸試驗數(shù)據(jù)推算得到 ， 再加上名義應力和應力集中系數(shù)很 難結(jié)合一致地反映實際最大應力 ， 因此傳統(tǒng)方法有相當 的不準確性 。 有限元理論 的發(fā)展，為精確且全面地計算曲軸應力提供了條件。 完整的有限元分析流程如下圖所示： 三、 有限元法分析過程 有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計算方法 。 它把求解區(qū)域看作是由許多 小的節(jié)點處互相連接的子域所構(gòu)成 ， 其模型給出基本方程的子域近似解 ， 因為子 域可以分割成各種形狀和大小的不同的尺寸 ， 所以它能很好地適應復雜的幾何形 狀、材料特性和邊界條件。 1. 三維模型的建立 工作的第一步就是建立幾何模型 ， 有限元模型的建立是以良好的幾何模型為 基礎(chǔ)的 ， 而且?guī)缀文Ｐ涂梢允故褂谜咧庇^的面對所要做的對象 ， 形象生動 。 曲軸 結(jié)構(gòu)比較復雜 ， 如果實體建模時把各種小的倒角和圓角以及油孔都考慮進去 ， 網(wǎng) 格劃分時非常復雜 ， 且會產(chǎn)生許多不良的單元 。 根據(jù)經(jīng)驗 ， 曲軸受力最大處在連 桿軸頸和主軸頸過渡圓角處 。 考慮到這些因素 ， 在對曲軸實體建模時忽略小的倒 角和圓角以及油孔 ， 在劃分網(wǎng)格時對連桿軸頸和主軸頸過渡圓角處進行網(wǎng)格加密。 運用 立三維模型，并將其導入 。 2. 曲軸有限元模型的建立 三維有限元分析采用的計算模型一般有三種： (1) 1/4 或 1/2 曲拐模型。它主要考慮彎曲載荷作用，并認為曲軸的形狀和作用 載荷相對于曲拐平面對稱。 (2) 單個曲拐模型 。 用于分析曲軸上受載荷最嚴重的曲拐 ， 優(yōu)點在于計算規(guī)模小。 但很難正確確定主軸頸剖分面處的邊界條件 ， 剖 分面距離過渡圓角很近也會 影響計算精度 。 為了考慮相鄰曲拐 、 軸承孔不同心度及支承變形等影響因素， 常將單拐模型與曲軸的整體梁元模型聯(lián)合起來使用 ， 先用梁元模型計算曲軸 各拐的約束力和支反力 ， 然后將計算所得的約束力和支反力與單拐受到的氣 壓力和慣性力一并作為單拐模型的力邊界條件。 (3) 整體曲軸模型 。 這是進行曲軸有限元分析最合理的模型 ， 計算精度高 。 但是， 其計算規(guī)模巨大，為了在常規(guī)條件下求解，必須采用合適的方法。 傳統(tǒng)的曲軸應力計算多是采用單拐或是 1/2 曲 拐模型 ， 這種模型不能很好地 確定兩端面的邊界條件 ， 誤差比較大 ， 不能反映出曲軸內(nèi)部的應力分布狀態(tài) 。 把 曲軸簡化為連續(xù)梁模型 ， 也有一定的局限性 ， 不能反映出軸頸與曲臂之間過渡圓 角處的受力情況。本研究采用整體曲軸進行計算。 3. 有限元網(wǎng)格的劃分 采用 10 節(jié) 點四 面體等參單元進行網(wǎng)格劃分 . 共有 26688 個節(jié)點 ， 15918 個 單 元。 模型如下圖所示。 4. 邊界條件處理： 載荷邊界條件的處理重點是作用在軸頸表面的力處理 。 早期計算時 ， 作用在 主軸頸上的支承反力由簡支梁法確定 ， 并設(shè)定為集中力 ， 如上 圖 （ a） 。 現(xiàn)在 已 基 本按連續(xù)梁法計算 ， 并且設(shè)定作用在軸頸上的載荷為分布載荷 ， 沿軸線方向均布 或呈拋物線分布，沿圓周方向 120°呈余弦分布，如上圖（ b） （ c） 。 在位移邊界條件處理中 ， 一般根據(jù)曲軸結(jié)構(gòu)等方面的實際 情況決定處理方法。 例如 ， 考慮到曲軸推力軸承的止推作用 ， 在主軸頸中央端面施加軸向約束 ； 在曲 拐對稱平面內(nèi)不會產(chǎn)生垂直于曲拐平面方向上的位移 ， 因此在對稱面上加相應的 約束曲軸的支承情況很復雜 ， 以前一般把主軸承視為剛性 ， 對主軸頸施加剛性約 束。 5. 設(shè)置材料特性及單元特性 任何結(jié)構(gòu)對象都是由不同材料構(gòu)成的 ， 不同的材料具有不同的力學 、 傳熱學、 電磁和流體行為特性 ， 這些特性就是材料屬性特性 。 本模型柴油機曲軸的材料是 合金球墨鑄鐵，材料的機械性能如下表所示。 材料名稱 彈性模量 E (N/泊松比 μ 質(zhì) 量密度 (Kg/???? (???? (???1 (00 420 215 連桿軸頸壓力分布 6. 計算結(jié)果應力分析 等效應力較大值發(fā)生在主軸頸與曲柄相連的過渡圓角處， 及連桿軸頸與曲柄 相連的過渡圓角處。最大值為桿軸頸與曲柄相連處過渡圓角的下部，其值為 σ 165(計算結(jié)果及 云圖見電子版 ) 7. 疲勞強度校核 整體曲軸的斷裂 ， 在多數(shù) 情況下首先在曲柄銷圓角出現(xiàn)疲勞裂紋 ， 隨后裂紋 向曲柄臂發(fā)展而導致整根曲軸的斷裂 。 只在個別情況下因曲軸支承的局部損壞引 起支座彎矩急劇增加而造成主軸頸圓角損壞 。 這主要是由于主軸頸圓角應力以壓 應力為主 ， 致使其抗交變載荷的能力增強 。 因此 ， 通常僅對承載最大曲柄的曲柄 銷圓角進行疲勞強度計算就能滿足要求 。 曲柄銷圓角彎曲疲勞強度安全系數(shù)可用 下式計算（具體見設(shè)計書上 ） 。 計算得到： ???? = n?? = ??????? 工作安全系數(shù) ??????的計算公式為 ?????? = ，計算的到： ?????? = 2 ?????+???? 對于材質(zhì)不均勻 、 性能離散 度較大 、 且應力計算精度較低的曲軸產(chǎn)品 ， 可取 安全系數(shù)許用值 [ n ]= 經(jīng) 比較得知 ， 曲軸的安全系數(shù)在其許用安全值 [ n ] 范圍之內(nèi)，因此曲軸在工作狀態(tài)中是安全可靠的。 四、 結(jié)論 通過對曲軸平衡重和軸頸尺寸的校核計算，并得出優(yōu)化方案。通過對 2100T 柴油機曲軸優(yōu)化后地三維有限元分析得到如下結(jié)論 ： 該曲軸的應力集中主要出現(xiàn) 在連桿軸頸下側(cè)與主軸頸上側(cè)過渡圓角處 ,該曲軸的強度能達到要求；扭轉(zhuǎn)作用 對發(fā)動機曲軸應力值的影響較小 ； 網(wǎng)格的劃分及單元選擇對有限元分析結(jié)果有較 大的影響。