柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度有限元分析及模態(tài)試驗(yàn)研究

1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度有限元分析及模態(tài)試驗(yàn)研究姓名：肖龍申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：機(jī)械工程指導(dǎo)教師：曹樹平20040108摘要柴油機(jī)曲軸不僅是影響整車大修的最重要的參考零件，同時(shí)它的尺寸參數(shù)還影響著發(fā)動(dòng)機(jī)整體尺寸和重量，在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，它是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)其它零件的嚴(yán)重?fù)p壞。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)中，曲軸占有極其重要的地位。多缸機(jī)曲軸比單缸機(jī)曲軸要復(fù)雜得多。本文結(jié)合多缸機(jī)曲軸強(qiáng)度研究計(jì)算中的不同的建模方法，進(jìn)行理論研究與實(shí)際測試計(jì)算，并比較幾種方法在實(shí)際運(yùn)用中的可靠性，提出了多缸機(jī)曲軸強(qiáng)度研究的綜合方法及相互關(guān)系，在運(yùn)用三

2、維有限元法建模計(jì)算中提出了新的不同邊界條件的確定方法。在對多缸機(jī)曲軸進(jìn)行強(qiáng)度研究中，本文綜合運(yùn)用簡支梁法、連續(xù)梁法及三維有限元法進(jìn)行分析，并對這幾種方法及研究結(jié)果進(jìn)行比較。在本課題的研究中，本文嘗試以簡支梁法、連續(xù)粱法的計(jì)算結(jié)果作為三維有限元法計(jì)算時(shí)的邊界條件，分析比較了多種計(jì)算模型及邊界條件。本文通過對型柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算及探索，建立多種計(jì)算模型及邊界條件，結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)用現(xiàn)狀，結(jié)果基本相吻合。對此提出柴油機(jī)曲軸形狀參數(shù)及加工工藝的改進(jìn)意見。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)械、結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、噪聲問題正日益突出，因此，除了從靜態(tài)方面分析其應(yīng)力及變形，還必須從動(dòng)態(tài)的角度來考慮曲軸的強(qiáng)度性能。

3、本文針對多缸機(jī)曲軸用有限元法進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算匿難的實(shí)際情況，利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)分析了曲軸的動(dòng)態(tài)性能，通過試驗(yàn)得出曲軸的固有頻率、各階模態(tài)振型圖及受追響應(yīng)，提出第一階模態(tài)對曲軸的振動(dòng)影響較大的測試結(jié)果。本文從動(dòng)、靜兩方面探討了多缸機(jī)曲軸強(qiáng)度的研究方法及動(dòng)態(tài)性能分析，并在此基礎(chǔ)上提出了提高曲軸強(qiáng)度的措施，具有一定的理論意義及實(shí)際實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)曲軸簡支梁法連續(xù)梁法有限元法，。，：，犧，吐，啦，：一一，姐，屯鯽嘲塢。訊獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成

4、果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：耘日期：以冷年，月孑日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位滄文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于不保密廚。（請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“巾）學(xué)位論文作者簽名：靜日期：加吁年陰礦日指導(dǎo)教師簽名：櫥爭日期：。）【年月抽華中科技大

5、學(xué)碩士學(xué)位論文緒言課題的來源及課題的意義柴油機(jī)曲軸不僅是影響整車大修的最重要的參考零件，同時(shí)它的尺寸參數(shù)還影響著發(fā)動(dòng)機(jī)整體尺寸和重量，并且在很大程度上影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，它是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。曲軸的破壞事故可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)其它零件的嚴(yán)重?fù)p壞，特別是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與強(qiáng)化，使曲軸的工作條件愈加苛刻。由于曲軸是承擔(dān)由熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的最關(guān)鍵部件，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的功率是由它傳導(dǎo)而出。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)中，曲軸占有極其重要的地位“。曲軸承受著由氣缸內(nèi)氣體作用力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的載荷，并對外輸出扭矩，因此，曲軸承受交變的拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合

6、應(yīng)力，同時(shí)還有彎曲振動(dòng)，從而會(huì)引起曲軸的疲勞失效。鄭州金牛集團(tuán)股份有限公司是一家國有大型企業(yè)，其主打產(chǎn)品為、型號柴油機(jī)，具有相當(dāng)規(guī)模的制造、裝配、技術(shù)設(shè)計(jì)能力。其主打產(chǎn)品暢銷市場，每年都有一定數(shù)量的附屬新產(chǎn)品推向社會(huì)。該公司非常注重新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)工作，不斷創(chuàng)新，我與該公司技術(shù)人員多年合作，一直參與到許多產(chǎn)品的技術(shù)工作中。我們通過對鄭州金牛集團(tuán)現(xiàn)有產(chǎn)品跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，型柴油機(jī)大多數(shù)斷軸事故是疲勞破壞，所以保證曲軸有足夠的強(qiáng)度即同時(shí)兼顧好曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的潤滑狀態(tài)和散熱條件是曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的首要問題。曲軸的疲勞裂紋幾乎全部集中在最嚴(yán)重的過渡圓角和油孔處，損壞情況基本為兩種：彎曲疲勞破壞和扭轉(zhuǎn)疲勞破壞

7、。彎曲疲勞裂紋首先產(chǎn)生在曲柄銷圓角或主軸頸圓角，然后向曲柄臂發(fā)展。扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋產(chǎn)生在加工不良的油孔或圓角處，然后與軸線成。發(fā)展。作用于曲軸的交變載荷是由彎曲與扭轉(zhuǎn)兩部分合成的，但由于圓角的彎曲應(yīng)力集中比扭轉(zhuǎn)來得大，所以高速柴油機(jī)曲軸的損壞大多數(shù)是彎曲疲勞破壞。尤其在軸承磨損后，曲柄撓曲產(chǎn)生很大的附加彎曲應(yīng)力，其破壞呈現(xiàn)出和純彎曲疲勞破壞十分相似的斷口。據(jù)曲軸破壞統(tǒng)計(jì)分析表明，是由彎曲疲勞產(chǎn)生，因此，彎曲疲勞強(qiáng)度的研究是重點(diǎn)，而過渡圓角處的應(yīng)力集中又是彎曲疲勞強(qiáng)度研究的重點(diǎn)。如何準(zhǔn)確地定位曲軸的應(yīng)力集中程度及位鼉，從而尋找措旋降低應(yīng)力集中以提高曲軸強(qiáng)度，成為眾所關(guān)注的焦點(diǎn)。由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)的要求以及

8、降低成本的呼聲，就造成了使發(fā)動(dòng)機(jī)的重量尺寸、結(jié)構(gòu)華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文剛度相對減小，同時(shí)又要延長整機(jī)可靠性與時(shí)限之間的矛盾。曲軸特別是多缸機(jī)曲軸在工作過程中，會(huì)局部剛度（主要是彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度）不足而引起彎曲和扭轉(zhuǎn)，輕則產(chǎn)生噪聲，重則使曲軸斷裂。因而，研究曲軸的動(dòng)態(tài)性能與研究其強(qiáng)度一樣，具有熏要的意義。曲軸的幾何結(jié)構(gòu)形狀和載荷部分很復(fù)雜，并且有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，都無法對它進(jìn)行精確而嚴(yán)格的計(jì)算。各種計(jì)算方法都只是某種程度的近似計(jì)算，因而均存在著相對的局限性。多缸機(jī)曲軸比單缸機(jī)曲軸復(fù)雜，對其進(jìn)行精確的強(qiáng)度計(jì)算和動(dòng)態(tài)分析較為困難，很難建立較為理想數(shù)學(xué)計(jì)算模型。國內(nèi)外關(guān)于多缸機(jī)曲軸方面的資料也不少，

9、但比較零散，而且計(jì)算方法也各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文將結(jié)合鄭州金牛集團(tuán)生產(chǎn)的柴油機(jī)整體式曲軸進(jìn)行強(qiáng)度研究和動(dòng)態(tài)分析，從而為多缸機(jī)曲軸的強(qiáng)度研究和動(dòng)態(tài)分析探索出比較可行的方法，由于六缸直列發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在國內(nèi)產(chǎn)量很大，對其進(jìn)行研究具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。解決問題的基本思路及國內(nèi)外研究發(fā)展趨勢在我們與企業(yè)合作研究此課題之前，生產(chǎn)廠家一直采用對斷裂曲軸以概率分析的方法為依據(jù)來實(shí)際解決斷曲軸的問題，這一方面易造成解決問題具有盲目性，而且總以犧牲成本和性能為代價(jià)，另一方面由于無理論依據(jù)，最終未找到問題的根源，并未解決斷曲軸的根本問題。這樣勢必造成了很大的人力、物力的浪費(fèi)。我們與生產(chǎn)廠家聯(lián)合進(jìn)行攻關(guān)。首先對曲軸的

10、強(qiáng)度研究，目前對曲軸強(qiáng)度的研究主要有試驗(yàn)法和計(jì)算法，在我們與企業(yè)合作研究此課題之前，集團(tuán)方面主要是跟蹤分析，對曲軸斷裂的實(shí)際情況采用概率分析法進(jìn)行分析。試驗(yàn)法主要有二種，一是光測彈性力學(xué)三向凍結(jié)應(yīng)力法；二是電阻應(yīng)變片法。光彈法，一般用于對曲軸靜強(qiáng)度的研究，不適合確定曲軸的實(shí)際工作應(yīng)力。生產(chǎn)廠家在實(shí)際生產(chǎn)中是采用簡易的曲軸靜平衡機(jī)來解決此問題，電阻應(yīng)變片法既可用于曲軸的靜強(qiáng)度研究，也可用于曲軸疲勞強(qiáng)度研究，但應(yīng)變片在圓角處的粘貼位置誤差會(huì)引起很大的測量誤差。計(jì)算法主要有三種，即分段簡支梁法、連續(xù)梁法、有限元法。分段簡支梁法是用通過主軸頸中點(diǎn)并垂直于曲軸中心線的若干平面將曲軸分成許多段，然后把每段

11、曲軸當(dāng)作一個(gè)絕對剛性的簡支梁計(jì)算。此法簡便迅速，能反映曲軸華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文的基本受力情況，在工廠實(shí)際應(yīng)用中有重要的地位。但它忽略了相鄰曲拐的相互作用，也不能反映曲軸剛度、支承剛度等對曲軸應(yīng)力的影響，不能對應(yīng)力的具體分布等作深入的分析。連續(xù)梁法以結(jié)構(gòu)力學(xué)的彈性支承梁理論為基礎(chǔ)，它對于多缸機(jī)曲軸的整體應(yīng)力分析有著顯著的優(yōu)勢。它可以考慮相鄰曲拐的作用及支座剛度等。通過對擦體曲軸進(jìn)行連續(xù)梁法的計(jì)算，可以得個(gè)整體曲軸動(dòng)態(tài)過程圓角應(yīng)力分布的全貌。二十年代提出連續(xù)梁計(jì)算的力學(xué)模型，五十年代山田松永、分別對這一方法加以改進(jìn)，使其更符合實(shí)際情況。日本海事協(xié)會(huì)，莢國勞氏船級社等都先后采用連續(xù)粱法，曲軸專家

12、小組也明確推薦連續(xù)粱法，在文獻(xiàn)中都有介紹。但該方法考慮的因素較多，有些對曲軸的重要影響因素，如軸頸與軸承間的工作間隙、主軸頸的偏心、錐度、橢圓度等難以控制，所以也較難得到很高的計(jì)算精度。加之考慮到生產(chǎn)廠家的實(shí)際情況，我們認(rèn)為此方法不合適。近年來，隨著有限元理論的發(fā)展，各種大型結(jié)構(gòu)分析程序的出現(xiàn)，人們逐漸使用有限元法進(jìn)行強(qiáng)度和動(dòng)力計(jì)算。有限元法用于曲軸的強(qiáng)度計(jì)算除了能夠精確地求出曲軸表面的應(yīng)力分布以外，還能算出在感興趣區(qū)域應(yīng)力隨深度的分布。而曲軸的三維有限元分析可以較全面地得到曲軸彎曲與扭轉(zhuǎn)的變形和應(yīng)力狀況，并能反映采用空心軸頸后過渡圓角峰值偏離曲拐平面時(shí)的情況和應(yīng)力沿圓周的分布。用三維有限元法

13、計(jì)算益軸強(qiáng)度，在國外文獻(xiàn)中有報(bào)道。從年底，我國也開展了這方面的工作，其中以吳昌華教授研究較多，如文獻(xiàn)。但有限元計(jì)算模型及邊界的確定，直是一個(gè)很困難的問題，特別是對于多缸機(jī)曲軸則更難。前面兩種方法，其實(shí)是兩種不同的計(jì)算摸型，它們主要區(qū)別是第一種方法不考慮支承彎矩作用，而第二種方法則加以考慮。它們都要通過計(jì)算曲軸強(qiáng)度的富余程度來進(jìn)行研究即用通常的安全系數(shù)來表示。而安全系數(shù)的獲取依賴于形狀系數(shù)的選取，例如列金法、阿爾伯特法等，國內(nèi)黃佐賢研究員對此研究較多，如文獻(xiàn)。當(dāng)前對于曲軸強(qiáng)度的研究主要有兩大趨勢，一是利用大量的經(jīng)驗(yàn)積累，計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合，并且考慮更多的因素，試圖從方便的角度出發(fā)，獲取曲軸安全系數(shù)

14、，用于實(shí)際生產(chǎn)；二是結(jié)合現(xiàn)代的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，如有限元法等，對曲軸強(qiáng)度進(jìn)行深入的研究。在文獻(xiàn)對有限元法的實(shí)際應(yīng)用都作了一定研究與說明。對于曲軸的動(dòng)態(tài)分析，也有二種常用方法，一是有限元法；二是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。用有限元法對整根曲軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，若只分析一拐，通過其變形，也可知道單拐剛?cè)A中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文度薄弱區(qū)域。而試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，從實(shí)測的傳遞函數(shù)出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)識別，從而得到各階模態(tài)參數(shù)，其中包括自振頻率、振型、阻尼、模態(tài)質(zhì)量與模態(tài)剛度等。目前該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空、汽車、船舶等各個(gè)領(lǐng)域，但在我國應(yīng)用研究較晚，在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)電僅僅是從八十年代開始。許多文獻(xiàn)著重于用某一種

15、方法進(jìn)行曲軸強(qiáng)度研究，而由前面的分析可知，單獨(dú)運(yùn)用某一種方法很難得到滿意的結(jié)果。本文將綜合運(yùn)用分段簡支梁法、連續(xù)梁法、三維有限元法對柴油機(jī)曲軸作一比較全面的計(jì)算并進(jìn)行分析比較，不同方法有各自的特點(diǎn)，使其相互結(jié)合，從而對曲軸的應(yīng)力大小、分布及其影響因素有一較為客觀全面的認(rèn)識。并且針對用有限元法對多缸機(jī)曲軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)建立數(shù)學(xué)模型及確定邊界條件很難的情況，用多種邊界條件進(jìn)行計(jì)算比較，從而找出差別，提出較為理想的模型和邊界條件。同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)對曲軸的固有頻率、固有振型、受迫響應(yīng)振型及位移等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。對于動(dòng)態(tài)特性的研究，在文獻(xiàn)中已有論述，以上述文獻(xiàn)為理論依據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況動(dòng)、靜結(jié)合

16、地對曲軸進(jìn)行分析研究，為企業(yè)在設(shè)計(jì)、改進(jìn)及制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件時(shí)提供有益的建議，這種研究分析的方法也符合當(dāng)前對曲軸等內(nèi)燃機(jī)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。本文研究的主要工作）對柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，求得各軸頸受力及扭矩，為后面的計(jì)算工作提供部分力邊界條件，并且找出最危險(xiǎn)的曲拐用于后面的計(jì)算：）運(yùn)用簡支梁法初步計(jì)算曲軸疲勞強(qiáng)度，并為有限元法的計(jì)算結(jié)果提供比較和參照的依據(jù)；）運(yùn)用連續(xù)梁法對柴油機(jī)曲軸進(jìn)行計(jì)算，求得各支承處彎矩及各軸頸受力，為三維有限元法提供邊界條件，同時(shí)確定最危險(xiǎn)曲拐的位置，并與前面所確定的結(jié)果進(jìn)行比較，這項(xiàng)工作是在國內(nèi)許多內(nèi)燃機(jī)專家已作過的類似研究過的經(jīng)驗(yàn)下進(jìn)行的；）運(yùn)用連續(xù)粱法

17、提供的力邊界條件對曲軸進(jìn)行三維有限元計(jì)算，并且用多種邊界條件進(jìn)行計(jì)算比較。同時(shí)著重于分析圓角處的應(yīng)力分布規(guī)律；）運(yùn)用模態(tài)分析軟件及鄭州金牛集團(tuán)所具有的及德國生產(chǎn)光電曲軸平衡儀等設(shè)備對該曲軸進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，分析其動(dòng)態(tài)性能，并且與前面有限元計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，分析曲軸的剛度薄弱區(qū)域；華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文）根據(jù)以上計(jì)算及試驗(yàn)，對該曲軸的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提出合理的建議：）結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)情況對理論發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，并檢驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)效果。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析曲軸的強(qiáng)度計(jì)算必須首先對曲軸進(jìn)行正確的受力分析，多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸受力復(fù)雜，作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力主要有：氣缸內(nèi)氣體壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣

18、性力、摩擦阻力等，而實(shí)際分析中忽略數(shù)值較小的摩擦阻力，主要考慮缸內(nèi)氣體壓力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力的作用。本文將有關(guān)計(jì)算方法對柴油機(jī)曲軸的連桿軸頸受力、主軸頸受力及各軸頸扭矩作全面的計(jì)算，為后面的多種計(jì)算提供數(shù)據(jù)。軸頸扭矩的計(jì)算方法柴油機(jī)供動(dòng)力計(jì)算的一些主要數(shù)據(jù)如下表：表曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力計(jì)算數(shù)據(jù)名稱符號數(shù)值單位名稱符號數(shù)值單位缸徑標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定功率行程最大爆發(fā)壓力連桿組往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量連桿長度發(fā)火順序單個(gè)曲拐旋轉(zhuǎn)不平衡質(zhì)量連桿組旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量活塞組質(zhì)量平衡重質(zhì)量平衡重中心旋轉(zhuǎn)半徑由以上數(shù)據(jù)，下面算出對應(yīng)于各曲軸轉(zhuǎn)角的加速度（），活塞所受力（）往復(fù)慣性力（），連桿力（）連桿對曲柄銷切向力（），徑向力（）

19、及單缸扭矩】（）等?，F(xiàn)將計(jì)算所得一部分結(jié)果列表如下：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文表部分計(jì)算結(jié)果表（）（）（）（）（）（）（；）（）（）（）。（）（）（）。由計(jì)算可知：在曲軸轉(zhuǎn)角為。時(shí)，有最大值：在曲軸轉(zhuǎn)角為。時(shí)，有最大值，均如上表所示。若已知單缸扭矩，求多缸機(jī)各軸頸所受扭矩時(shí)，只要把各缸扭矩從自由端向飛輪端依次按相位疊加起來即可。為了進(jìn)行曲軸強(qiáng)度的計(jì)算，必須知道各主軸頸和連桿軸頸所受扭矩在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的變化。圖為按卜的發(fā)火順序所作的相位圖，曲軸各頸的扭矩如圖所示。圖一發(fā)動(dòng)機(jī)工作相位圖圖曲軸各軸頸扭矩不慈圈若第一缸單缸扭矩為（），則由相位分析，（。），依次有第三缸（）（），第二缸單缸扭矩為（）第四缸（

20、）（。），第五缸（）【（。），第六缸（）（。）。要求某一主軸頸所受扭矩，只要把從第一曲拐到該軸頸前一曲拐上所有各缸的扭矩按相位疊加起來即可。而第曲拐曲柄銷所受扭矩是前一主軸頸累積扭矩加上作用在曲柄銷上切向力所引起的扭矩（單缸扭矩）的一半。經(jīng)過計(jì)算，求得各軸頸對應(yīng)于。曲軸轉(zhuǎn)角的扭矩，現(xiàn)列出某些曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的扭矩值，如表：一華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文表部分計(jì)算所得扭矩?cái)?shù)據(jù)表勤?？茊挝唬河缮媳砜芍?，口時(shí)，第三曲拐兩側(cè)扭矩值最大，因此第三曲拐為最危險(xiǎn)曲拐，既容易發(fā)生疲勞斷裂。我們對鄭州金牛集團(tuán)生產(chǎn)的兩臺(tái)柴油機(jī)完成小時(shí)耐久試驗(yàn)后的曲軸進(jìn)行紅外線探傷發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)柴油機(jī)均在第三曲拐處出現(xiàn)內(nèi)裂，其中一臺(tái)裂紋較為嚴(yán)重

21、，而在其他處均未發(fā)現(xiàn)傷痕出現(xiàn)。軸頸受力計(jì)算從曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析可知（如圖）。連桿作用在曲柄銷上的負(fù)荷是連桿推力與連桿旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的離心力的矢量和，即：為便于計(jì)算負(fù)荷大小及方向，取一個(gè)固定于曲柄銷上的直角坐標(biāo)系勿，均，并求知在其上的投影，如圖所示：。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文辯寒二蜓秒瀑（，），口一口口（，（，口目。圖連桿軸頸受力圖的矢量方向用口。表示，叼為而在順時(shí)針方向上與勿坐標(biāo)的夾角，根據(jù)唧。及、的正負(fù)值，可得凹即：），），口口），（，口。一口對六缸機(jī)，曲軸主軸頸受力計(jì)算相對較為復(fù)雜。多支承曲軸主軸負(fù)荷的精確確立是十分困難的，這不僅由于支承是超靜定的，而且由于支承本身是彈性的，同時(shí)曲拐在不同

22、平面內(nèi)具有不同的剛度。因此在計(jì)算時(shí)必須加以簡化。這里所說的簡化截?cái)喾ㄊ侵刚J(rèn)為任何時(shí)刻作用在曲軸某一主軸上的負(fù)荷只取決于此軸頸左右兩側(cè)曲拐上的作用力，而與較遠(yuǎn)曲拐上的力無關(guān)。這也就是假想沿主軸頸中央截面切開，消除了曲軸的靜不定性，將多跨曲軸按單跨梁的方案進(jìn)行計(jì)算。這種簡化截?cái)喾ū容^簡單地將每一曲拐單獨(dú)截?cái)啵J(rèn)為各曲拐受載近似相同，這樣做相對計(jì)算精度要高些，較貼近實(shí)際情況。而且在曲拐軸向?qū)ΨQ的大多數(shù)情況下，可以認(rèn)為作用在曲柄銷上的力和曲拐不平衡離心力平均傳給相鄰的兩個(gè)主軸頸，如圖所示：）作用在第一，七主軸頸上的負(fù)荷作用在第一主軸頸（）上的負(fù)荷庇與作用在第七主軸頸（）上的庇的矢量圖在形狀上是相同的，

23、只是在相位上相差。因?yàn)樗鼈兌际怯梢粋€(gè)曲拐（第一曲拐或第六曲拐）上的負(fù)荷引起，且第一和第六曲拐在空間位置上也是一樣的。為了便于比較，以后不管哪個(gè)主軸頸轉(zhuǎn)角位置都用第一曲拐的轉(zhuǎn)角口來相對表示。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖乍用在主軸頸上的負(fù)荷主軸頸的負(fù)荷尼是曲柄銷的負(fù)荷助和第一曲拐不平衡離心力（含平衡重作用）在該主籀頸所引起的反作用力的矢量和，如璺所示，即有：；一嘞（）七）島扛了麗其中：。口，之】一（）（）（）巴，如。（）（）：【）圖作用在第主軸頸上的負(fù)荷戌的方向以表示，其規(guī)定與相同，如圖所示。同理可按公式求出杰，只須將第一曲拐挨殘第六曲拐，再將第六艘拐上鼬各終用力表達(dá)式按相位轉(zhuǎn)換成用第一曲拐表示。）

24、作用在第二。三，五，六主軸頸（中闖主軸頸上醣負(fù)荷串泅圭秘頸（瑟）。，（），（），其相鄰曲拐的相對角位置及其相應(yīng)汽缸中工作的相位差都相等，分別為華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文。和。，所以這四個(gè)中間主軸頸的負(fù)荷圖具有同樣的形狀，計(jì)算時(shí)只須將公式中的標(biāo)號改動(dòng)一下，并且最后都將相位統(tǒng)一成用第一曲拐來表示，但需要注意應(yīng)將坐標(biāo)系固定在使用的曲拐上，從而保證各個(gè)不同的主軸頸可采取相同形式的公式。下面以第二主軸頸為例進(jìn)行計(jì)算，其受力如圖所示：主軸頸負(fù)荷庇是（”，（”，（），七（）四個(gè)矢量在該軸頸上反作用力的矢量和，其計(jì)算公式如下：一（”一（）一（）一）（）愚，陋（”一（）。一?。ǎ＃ā浚ǎǎǎ┮唬ǎ┩︼w廠函嶙

25、，嗣、硝、臺(tái)糾矗圖作用于第二主軸頸上的負(fù)荷同理可以得出，主軸頸的負(fù)荷計(jì)算公式。）第四主軸頸（中央主軸頸）負(fù)荷如圖所示，主軸頸的負(fù)荷是（”，而（“，卉七），（四個(gè)矢量在浚軸頸上反作用力的矢量和，計(jì)算公式如下：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文一（）“）一（）一（），一）（）一（）（。）（）（）】以上將各主軸頸負(fù)荷的計(jì)算公式列出，然后相應(yīng)應(yīng)用程序計(jì)算出對應(yīng)于不同曲軸轉(zhuǎn)角的各主軸頸負(fù)荷值，現(xiàn)列表給出。和口時(shí)第三曲拐的軸頸負(fù)荷值如表所示：表第三拐各軸頸在部分曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的負(fù)荷（）（）度，度叼度（）位度度度度（肝）。圖第四主軸頸負(fù)荷圖由計(jì)算可知。危險(xiǎn)曲拐即第三曲拐在曲軸轉(zhuǎn)角口時(shí)受力最大，因此在以后的計(jì)算中均以此曲軸

26、轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行計(jì)算。我們通過企業(yè)對其大修過的臺(tái)柴油機(jī)跟蹤調(diào)查，也驗(yàn)證到的曲軸疲勞斷裂是由第三曲拐處最先發(fā)生的。小結(jié)本章對受力情況比較復(fù)雜的六缸機(jī)曲軸進(jìn)行了扭矩及各軸頸受力計(jì)算，并且采用了計(jì)算精度較高的計(jì)算模型，其結(jié)果可供后面的計(jì)算使用。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，第三曲拐所受負(fù)荷比較嚴(yán)重，因此可以認(rèn)為第三曲拐為最危險(xiǎn)曲拐，且第三曲拐在曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)受力最大。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文應(yīng)用簡支梁法分析曲軸強(qiáng)度曲軸強(qiáng)度計(jì)算主要包括靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞強(qiáng)度計(jì)算。靜強(qiáng)度計(jì)算的目的是為了求出曲軸各危險(xiǎn)部位最大工作應(yīng)力；疲勞強(qiáng)度計(jì)算是為了求出曲軸在反復(fù)承受交變工作應(yīng)力下的最小強(qiáng)度儲(chǔ)備，通常以安全系數(shù)的形式表示“。而曲軸的疲勞破壞主

27、要是主軸頸和連桿頸與曲柄臂過渡圓角處的疲勞破壞，因此本章將用簡支梁法初步估計(jì)第三曲拐（最危險(xiǎn)曲拐）圓角的應(yīng)力并求出安全系數(shù)，為與三維有限元法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比作準(zhǔn)備。概述簡支梁法以通過主軸頸中點(diǎn)并垂直于曲軸中心線的平面將曲軸分成若干個(gè)曲拐，每個(gè)曲拐視為一簡支梁進(jìn)行計(jì)算，假定計(jì)算第曲拐，左邊主軸頸（靠近自由端）以表示。右端主軸頸（靠近輸出端）以表示。，：、一曠，、上、父“七圖簡支粱法單曲拐計(jì)算模型作用在曲柄銷上的徑向力；：作用在曲柄銷上的切向力：連杼旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、曲柄銷、曲柄臂的總的離心慣性力；：平衡塊的離心慣性力；上述力和力矩的符號以圖所示方向?yàn)檎?，相反為?fù)。因此主軸頸支反力下式確定：華中科技大學(xué)碩

28、士學(xué)位論文肼：！蜓二生堅(jiān)±望：型。三三由支反力確定各截面處的彎矩值。分段件質(zhì)量法技術(shù)迅速、簡便，能反映曲軸的基本受力情況，所以在曲軸強(qiáng)度計(jì)算中占有重要地位。目前鄭州金牛集團(tuán)在其四缸機(jī)以下的曲軸計(jì)算中均采用此方法進(jìn)行曲軸的驗(yàn)算。圓角強(qiáng)度計(jì)算圖為相近性能的型柴油機(jī)曲軸的單曲拐模型在曲拐平面內(nèi)加載及應(yīng)力分布圖。在主軸頸與曲柄臂的過渡圓角處和曲柄銷與曲柄臂的過渡圓角處，都有很大的應(yīng)力集中。因此這兩個(gè)過渡圓角間的斷面就是曲柄的危險(xiǎn)斷面。圖表述的情況相當(dāng)于氣體最高爆發(fā)壓力作用下曲軸的應(yīng)力分布，這時(shí)曲拐上作用著一個(gè)徑向力，主軸頸圓角上產(chǎn)生壓應(yīng)力，曲柄銷圓角上產(chǎn)生拉應(yīng)力。慣性力作用時(shí)曲軸的應(yīng)力分布正

29、好與上述相反。由于最高爆發(fā)壓力比較高，因此曲柄銷圓角上承受較大的拉應(yīng)力，對于鋼尤其是球鐵這樣的曲軸材料、抗壓強(qiáng)度要高于抗拉強(qiáng)度，所以曲柄銷圓角比主軸頸圓角容易產(chǎn)生疲勞裂紋。根據(jù)作用在曲軸的最大彎矩及最大扭矩可以求得名義最大應(yīng)力（與旭這并不是圓角處的最大應(yīng)力，由于應(yīng)力集中的緣故，曲拐上實(shí)際的最大應(yīng)力比計(jì)算所得名義最大應(yīng)力大得多，為了表征曲軸這種應(yīng)力局部增高的現(xiàn)象，通常用形狀系數(shù)來描述，它包括彎曲形狀系數(shù)和扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)。形狀系數(shù)的確定有很多種，如列金法，阿爾伯特法，以及各制造商和分類協(xié)會(huì)使用的方法，它們的共同特點(diǎn)是，都依賴于大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得的經(jīng)驗(yàn)圖表。圖型柴油機(jī)曲軸應(yīng)力分布華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論

30、文下面是文獻(xiàn)】對柴油機(jī)曲軸承載最大的第三曲拐的曲柄銷右部圓角進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。標(biāo)定功率為，標(biāo)定轉(zhuǎn)速，曲軸轉(zhuǎn)角。單曲拐計(jì)算模型見圖一。曲軸材料：，一，）最大彎曲應(yīng)力（）主軸頸支反力二【一×一日）】由公式：。望丁三得月南（。）××（）（）；殺（）（）一（）姒；而×（）一一（），蔫（）曲軸主要計(jì)算用參數(shù)如表：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文表一名稱柴油機(jī)單拐計(jì)算用數(shù)據(jù)名稱主軸頸曲柄臂參數(shù)參數(shù)直徑數(shù)值（）數(shù)值（）曲柄銷直徑長度圓角半徑巧厚度長度減重孔內(nèi)徑減重孔縮口內(nèi)徑減重孔偏心距圓角半徑軸頸最疊度立點(diǎn)歪曲柄臂中心距離，連桿軸頸圓角至支點(diǎn)距離，連桿軸頸中央至支點(diǎn)距離。二立

31、點(diǎn)間距離盤度凸臺(tái)厚度最大徑向力（）×最小徑向力（）連桿大頭及單拐離心力（）平衡塊離心力（）第四主軸頸最大扭矩（）第四主軸頸最小扭矩（）與對應(yīng)的切向力（）與對應(yīng)的切向力（）（）圓角名義彎曲應(yīng)力曲拐平面內(nèi)曲柄臂中央處彎矩（）×（）曲柄臂抗彎截面模量：上×：（）圍角名義彎曲應(yīng)力華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文：吒（）盯。（）圓角彎曲應(yīng)力幅和平均應(yīng)力盯。（盯一）（）（）盯。（盯。盯），（）（）（）圓角彎曲形狀系數(shù)等圓角彎曲形狀系數(shù)根據(jù)列僦蘭：繳“彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)。（。）（）彎曲有效總不均勻度系數(shù)，。）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的計(jì)算（）圓角名義切應(yīng)力圓角承受的扭矩。打。一，×，一（一

32、）×（），。，一一（）地柄銷抗扭斷面系數(shù)【一（和）【一（）（）角名義切應(yīng)力。×（）。一（）切應(yīng)力幅和平均應(yīng)力氣（。一。）（）（。），（）（）圓角扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)等【角扭轉(zhuǎn)形狀系數(shù)華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文查圖最后得口，一扭轉(zhuǎn)有效應(yīng)力集中系數(shù)¨，訂一）（）扭轉(zhuǎn)有效總不均勻系數(shù)，口，“，；）其他系數(shù)尺寸系數(shù)。材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱敏感系數(shù)，。妒，一強(qiáng)化系數(shù)口）安全系數(shù)的計(jì)算彎曲安全系數(shù)?，幮健Ｋ馊胬谮A麗磊扭轉(zhuǎn)安全系數(shù)”兩。蕊惡蕃“忑麗磊一扎?？偟陌踩禂?shù)小結(jié)本章使用比較簡單的分段簡支粱計(jì)算模型對柴油機(jī)曲軸進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度計(jì)算，并給出了安全系數(shù)。通過本章的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，分段簡支梁

33、法可以對曲軸應(yīng)力的大致分布及大小有所了解，并能通過安全系數(shù)的獲取快速地了解曲軸的強(qiáng)度狀況，但無法進(jìn)行深入分析，這對于企業(yè)來說是比較實(shí)用的。在此項(xiàng)課題研究完成后，鄭州金華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文牛集團(tuán)公司生產(chǎn)的多缸機(jī)曲軸的校驗(yàn)均采用此種方法得出的安全系數(shù)進(jìn)行曲軸驗(yàn)證，實(shí)踐證明此方法較為可靠。德國發(fā)動(dòng)機(jī)制造商通常都是在考慮更多因素的基礎(chǔ)上結(jié)合試驗(yàn)利用此法。此外，本章計(jì)算所提供的安全系數(shù)可用來與三維有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文用連續(xù)梁法進(jìn)行曲軸強(qiáng)度研究發(fā)動(dòng)機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)研究表明，多缸機(jī)曲軸實(shí)際上是靜不定的多支承連續(xù)梁，曲軸的應(yīng)力狀態(tài)與支承彎矩有關(guān)。上一章所述的分段筒支梁法把

34、曲軸分為一段段彼此不連續(xù)的簡支梁，忽略了支承彎矩的影響及相鄰曲拐的相互作用，也不能反映曲軸剛度、支座剛度、軸承不同軸度及扭轉(zhuǎn)變形等因素的影響，以及整體曲軸的應(yīng)力全貌而整體曲軸連續(xù)粱法卻能在這些方面彌補(bǔ)簡支梁法的不足，因此得到了較快的發(fā)展，本章運(yùn)用此法對柴油機(jī)曲軸作較全面的分析，并為三維有限元法提供力邊界條件。由于連續(xù)梁法考慮的因素較多，要想進(jìn)行精確的計(jì)算，必須做很多工作。本文蔓要旨在探討連續(xù)粱法在多缸機(jī)曲軸上的應(yīng)用，以及用它的計(jì)算結(jié)果為三維有限元法提供比分段簡支梁法更為精確的邊界條件。概述連續(xù)梁法的基本原理是：根據(jù)連續(xù)梁支承處偏轉(zhuǎn)角相等的變形協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)出各支承偏轉(zhuǎn)角變化總和為零的連續(xù)方程。

35、若考慮到各支承在外力作用下發(fā)生彈性變形。則得到五彎矩方程，否則得到三彎矩方程。求解彎矩方程得各支承處在曲拐平面和曲拐平面的垂直面內(nèi)的彎矩，如圖一所示，然后把第支承和第支承點(diǎn)處的主軸頸截面的彎矩“（由拐平面內(nèi)）、“（曲拐平面的垂直面內(nèi)）和“、“”）作為載荷加到圖中的曲拐受力模，姓二，再根據(jù)此新模型確定各支反力、各危險(xiǎn)截面的內(nèi)力矩，進(jìn)而計(jì)”建廠當(dāng)圖一連續(xù)梁法曲拐受力模型算各名義應(yīng)力。連續(xù)梁法與分段簡支粱法的根本區(qū)別在于它考慮了相鄰曲拐之間的彎矩作用。：二十年代首先提出連續(xù)梁計(jì)算的力學(xué)模型，五十年代山田松永、分別對這一方法加以改進(jìn)，使其更符合實(shí)際情況。特別是彈性支承連續(xù)梁法能很好地華中科技大學(xué)碩士學(xué)

36、位論文反映曲軸的應(yīng)力狀況，與實(shí)測結(jié)果也符合得很好。目前，國內(nèi)外關(guān)于曲軸連續(xù)梁計(jì)算方法，大致有以下幾種：）把曲軸簡化為支承在剛性支承上的圓柱形連續(xù)直梁，借助三彎矩方程進(jìn)行計(jì)算。這種方法在各單位曲拐長度相等的情況下認(rèn)為它們的剛度相等，免去繁雜的曲拐剛度汁算，同時(shí)又由于不考慮支座彈性等，因而相對較為簡單，精度又有所提高；）把曲軸作為支承上的變截面靜不定直梁。方面此法考慮支座的彈性及變形，特有犬墩積累的支座彈性系數(shù)，則可達(dá)到較高的精度；另一方面它可根據(jù)各單元在不嗣轉(zhuǎn)角位胃時(shí)的彎曲剛度將曲拐轉(zhuǎn)換為等效的變截面階梯梁，同時(shí)考慮曲柄臂在曲拐乎麗及曲拐平面的垂直面內(nèi)具有不同的剛度，從而使計(jì)算值與實(shí)際曲拐的計(jì)算

37、值相當(dāng)，但等效彎曲剛度的精確獲取依賴于大量的試驗(yàn)和合理的計(jì)算；）把曲軸視為支承在彈性支承上的靜不定曲梁。這種方法更加接近曲軸的實(shí)際情況而使計(jì)算結(jié)果在各參數(shù)比較可靠獲取的情況下具有更高的精度。這些參數(shù)主要是支座的彈性系數(shù)、曲拐剛度、軸承不同軸度等的確定，它們可用試驗(yàn)或計(jì)算的方法得到，但都難精確地確定。不管采用哪種具體方法，都能體現(xiàn)連續(xù)梁法的優(yōu)越性，使之成為進(jìn)行曲軸強(qiáng)度全面分析的一種重要的手段。計(jì)算模型及方法本文在參考許多文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜合說明下面兩種常用的計(jì)算模型。等高度剛性點(diǎn)支承的等圓截面梁法）計(jì)算模型及假設(shè)計(jì)算模型見圖前提條件可假設(shè)為如下幾點(diǎn)：（）支承：按等高度剛性點(diǎn)支承，即不考慮支座彈性及加工形成的不同軸度；（）載荷：以集中力方式加載，且各拐集中力作用在各曲柄銷