JMQ汽油機曲軸設計

1、JM491Q汽油機曲軸設計1.前言1.1論文的背景和意義發(fā)動機的發(fā)展可追溯到18世紀，主要是利用主要是利用燃燒所產(chǎn)生的缸內(nèi)的壓力升高，在膨脹過程中加速活塞和齒條機構，最終使氣缸內(nèi)產(chǎn)生真空，再推動該活塞，齒條通過離合器與輸出軸嚙合，輸出功率。因為效率低，后來又進行了多次的改造。經(jīng)過日積月累的經(jīng)驗，大量的實驗，汽車的技術日益優(yōu)化。目前全球汽車的使用也是在飛速的普及。美、德、日等各個工業(yè)大國目前都在致力于效益好，消耗少，低排放甚至零排放的綠色環(huán)保型、高性能的發(fā)動機的開發(fā), 可是由于新型技術如增壓技術、擴缸技術及提高轉(zhuǎn)速等提高功率的技術, 都對曲軸的性能有了更高的要求，所以曲軸的設計開發(fā)及材料要求，就

2、在急迫的有待于優(yōu)化，因此各個工業(yè)大國都在開發(fā)新的材料，以便于滿足曲軸之類的零件的需要，并且設計新的性能的曲軸，通過各種軟件將其優(yōu)化，以加速曲軸的研究開發(fā)。以滿足不同的市場需求。據(jù)中國曲軸行業(yè)市場前瞻與投資預測分析報告前瞻數(shù)據(jù)顯示,近年來，國內(nèi)汽車需求旺盛、全球汽車市場中心向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移、汽車零部件采購日益全球化等等因素促進了中國整體汽車市場愈發(fā)作為中國工業(yè)發(fā)展支柱產(chǎn)業(yè)的地位。當前我國的曲軸設計經(jīng)歷百年的發(fā)展，也已經(jīng)從一開始的幾乎全部都依靠國外進口，發(fā)展到后來小功率的發(fā)動機系列，再到后來改革開放后的飛速發(fā)展，后來中國加入WTO后，汽車與內(nèi)燃機產(chǎn)品都面臨著國際市場的激烈競爭，這些都推動了我國內(nèi)燃

3、機的發(fā)展。為了更好的適應市場，未來還將做敏捷柔性生產(chǎn)線AFTL。以滿足不斷變換的市場需求。滿足“多品種、大中批量、高效率、低成本”生產(chǎn)要求，精益生產(chǎn)，杜絕資源浪費, 用少投資求大回報。1.2本次設計的設計目的通過本次設計，是為了將自己大學所學專業(yè)知識系統(tǒng)的掌握，同時能夠理論與實際結(jié)合，將學到的理論知識運用進實際生活。增強自己獨立完成任務，細心分析，縝密思考的能力，同時也是對自己耐性、能力的考驗，希望通過此次設計，完滿完成大學到工作角色的轉(zhuǎn)換，進一步提高自己。設計的具體的內(nèi)容如下：1）收集資料了解JM491Q發(fā)動機的重要參數(shù)，具體結(jié)構，及其我要設計的曲軸結(jié)構的工作過程。2）根據(jù)曲軸的工作條件、結(jié)

4、構型式和材料的選擇相適宜的主要結(jié)構參數(shù)，及其完成相關細節(jié)的設計，如油孔、倒角等。3）學習CAD，來完成曲軸的二維圖的繪制，用來直觀的確定設計好的曲軸。2.JM491Q發(fā)動機介紹JM491Q，如下圖所示，采用分組式多點燃油噴射、閉環(huán)控制系統(tǒng)的改進型。其控制系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動機的實際運行工況和環(huán)境精確地控制點火時間和供油量，具有更好的動力性和經(jīng)濟性，排氣系統(tǒng)加裝三元催化凈化器后，整車的排放指標滿足EUR02（歐洲2號）排放標準的要求。2.1JM491Q主要技術參數(shù) 表1 JM491Q主要技術參數(shù)型式直列4缸、四沖程、水冷、側(cè)置凸輪軸排量2.237L最大功率76kW42004600rmin最大扭矩193

5、N.m22002800rmin達到排放標準歐、歐（需匹配標定）2.2冷卻方式介紹由陳家瑞主編的汽車構造上冊第八章知，冷卻系統(tǒng)的作用是將受熱零件吸收的熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。 發(fā)動機的冷卻系有風冷和水冷之分。以空氣為冷卻介質(zhì)的冷卻系稱為風冷系；以冷卻液為冷卻介質(zhì)的稱為水冷系。水冷式發(fā)動機冷卻較好而且均勻，強化的潛力要比風冷式發(fā)動機大，所以在汽車發(fā)動機上至今大多數(shù)還是水冷式發(fā)動機。在條件相同時，主要由于充量系數(shù)的差別，水冷機比風泠機高5%10%。此外風冷發(fā)動機功率和燃料消耗受氣溫變化影響較大，不如水冷發(fā)動機指標穩(wěn)定。3.熱力學計算3.1內(nèi)燃機的工作循環(huán)內(nèi)燃機的工作循環(huán)

6、是周期性的將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的過程，它由活塞往復運動形成的進氣、壓縮、膨脹和排氣等多個有序聯(lián)系、重復過程組成。在工作過程中，工質(zhì)的溫度、壓力、成分和流動狀態(tài)等狀態(tài)時刻發(fā)生著非常復雜的變化，難以進行細致的物理和化學分析，因而需要根據(jù)內(nèi)燃機的工作過程的特點，將實際循環(huán)簡化，建立理論循環(huán)?？蓺w納為等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)、混合加熱循環(huán)三種，通過理論的循環(huán)的熱力學研究，可以達到的目的：1)、用簡單的公式來闡明工作過程中的各個熱力參數(shù)間的關系，明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟性和循環(huán)平均壓力為代表的動力性的基本途徑。2）、確定循壞熱效率的理論極限，以判斷實際內(nèi)燃機的工作過程的經(jīng)濟性

7、和循環(huán)進行的完善程度以及改進潛力。3）、有利于比較內(nèi)燃機各種熱力循環(huán)的經(jīng)濟性和動力性3.2熱力學計算過程JM491Q發(fā)動機的工作循環(huán)過程，在理論條件下面下，可近似看作等容加熱循環(huán): ，通常情況下，壓縮始點的，（為當?shù)卮髿鈮毫χ担?，設定，則，壓縮過程的絕熱指數(shù)為，所以選取。膨脹過程中的絕熱指數(shù)為,所以選取 【發(fā)動機設計】， ，初取，根據(jù)【內(nèi)燃機學】壓縮比確定壓縮比。 （公式4 ）, ， ，因為，得出 （公式5 ）4.動力學計算詳細依據(jù)【內(nèi)燃機動力學】張寶成著，第二章曲軸連桿機構動力學4.1 質(zhì)量轉(zhuǎn)換做復合平面運動的零件-連桿組，包括連桿體、連桿小頭襯套、連桿蓋以及連桿螺栓等質(zhì)量，總質(zhì)量用m表示。

8、為了方便計算，一般將連桿組的質(zhì)量換算成集中于活塞銷中心處往復運動的質(zhì)量和集中與曲軸銷處的旋轉(zhuǎn)運動的質(zhì)量來代替復合運動的連桿質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)量換算原則，連桿替代系統(tǒng)的動力效應必須與原連桿相同，為此應滿足下面三個條件質(zhì)量不變：所有簡化后的質(zhì)量總和應等于原連桿的質(zhì)量m,即 :系統(tǒng)的質(zhì)心位置不變：代替系統(tǒng)質(zhì)心與原連桿質(zhì)心重合，即: ：連桿質(zhì)心至連桿小頭中心距離 ,：連桿質(zhì)心至連桿大頭中心距離 由上述兩個條件得: , 沿氣缸軸線作直線運動的活塞組零件，可以按質(zhì)量不變的原則簡單相加，并集中在活塞銷中心。 系統(tǒng)對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量不變：所有簡化后的質(zhì)量對于連桿組質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量之和等于原來的轉(zhuǎn)動慣量。質(zhì)量換算成為和兩

9、個質(zhì)量。對于上述三個條件是不能完全滿足的，既第三個條件不能得到滿足。因為換算后的質(zhì)量對于連桿組質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量和為，它不等于原來的轉(zhuǎn)動慣量。這是由于I的大小同質(zhì)量分布離質(zhì)心有關，如果質(zhì)量分布離質(zhì)心越遠，則I越大，轉(zhuǎn)換后雙質(zhì)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量顯然比原來系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣性更大一些。往復慣性質(zhì)量：,式中：為活塞質(zhì)量，為活塞銷質(zhì)量，連桿小頭質(zhì)量。計算活塞質(zhì)量： （公式11） （公式12） （公式13）其中-活塞直徑，；-活塞厚度，；-活塞高度，;-活塞銷外徑，;-活塞銷內(nèi)徑，;-連桿小頭內(nèi)徑，； 連桿小頭外徑，；-連桿小頭寬度，；活塞密度、活塞銷密度、連桿密度，材料分別為共晶鋁合金、20Mn、40MnB，故其密

10、度分別為：。經(jīng)過估算得到:4.2作用在活塞上的力缸內(nèi)的氣體壓力，隨著曲軸轉(zhuǎn)角不同而作周期性變化。氣體壓力作用在活塞頂上，通過活塞銷傳遞到曲柄連桿機構，作用在活塞上的氣體作用力等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活塞頂面積的乘積，即:氣體力 （公式14）氣缸內(nèi)的的氣體壓力(MPa)-曲軸箱內(nèi)的氣體壓力（MPa）-活塞直徑（mm）氣缸內(nèi)的氣體壓力隨著曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線，由示功圖表示，示功圖的橫坐標通常是用曲柄轉(zhuǎn)角來表示的，也有用氣缸工作容積來表示的，即示功圖。由于容積可用活塞位移來表示，又是曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù)，故圖與兩種示功圖之間可方便的進行轉(zhuǎn)換。5.曲軸結(jié)構設計5.1曲軸的工作條件和設計要求（1）

11、曲軸是在工作過程中，遭受到周期性的氣體壓力、往復慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力以及它們的力矩（扭轉(zhuǎn)和彎曲）共同作用下工作的，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，受到疲勞應力的作用。曲軸破壞統(tǒng)計表明，80左右是由彎曲疲勞產(chǎn)生的。因此，曲軸結(jié)構設計的重點是彎曲疲勞強度。（2）設計曲軸時，應保證它具有足夠的的彎曲強度和扭轉(zhuǎn)剛度。具有足夠的疲勞強度，特別是應力集中部位要得到強化，設法緩和應力集中現(xiàn)象，采用局部強化的方法來解決曲軸整體強度不足的矛盾。 （3）保證軸頸具有足夠的剛度，如果曲軸剛度不足，會大大惡化活塞、連桿、軸承等零件的工作條件，影響他們的工作可能性和耐磨性，扭轉(zhuǎn)剛度不足則有可能產(chǎn)生強烈的扭轉(zhuǎn)振動，輕則硬氣噪音，加速傳

12、動件的磨損，重則使曲軸斷裂。（4）曲軸各軸頸在很大的壓力下，已很大的相對速度在軸承中發(fā)動滑動摩擦，特別是滑油不干凈的時候，軸頸表面更容易遭到強烈的磨料磨損。故進行曲軸結(jié)構設計時，應使其表面耐磨，各軸頸有足夠的承壓面積和理想的潤滑工作條件。（5）曲軸應有良好的工作均勻性，平衡性5.2曲軸的結(jié)構型式曲軸從整體結(jié)構上看可以分為整體式和組合式，由于復雜結(jié)構鑄造和鍛造技術的進步，現(xiàn)代內(nèi)燃機幾乎全部都用整體式曲軸。從支承方式看，曲軸有全支承結(jié)構和浮動支承結(jié)構，為了提高曲軸的彎曲強度和剛度，現(xiàn)代多缸內(nèi)燃機的曲軸都采用全支承結(jié)構。5. 3曲軸的材料曲軸材料的選用原則：（1）優(yōu)良的機械性能。（2）良好的耐磨性、

13、耐疲勞性和沖擊耐性。（3）具有良好的切削性和加工性能。（4）成本廉價。常用的材料有45，40Cr，35Mn2等中碳鋼和中碳合金鋼。軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，最后進行精加工。目前球磨鑄鐵由于性能優(yōu)良，加工方便，價格便宜廣泛地用于曲軸材料。本設計采用40Cr。表2 40Cr的力學性能材料名稱牌號合金結(jié)構鋼40Cr78598195.4曲軸強度計算為了較準確地得到交變載荷作用下發(fā)動機曲軸的應力、變形的大小及分布。校核其疲勞強度，估算其疲勞壽命，對于曲軸的優(yōu)化、改進設計具有重要的意義。在此借助ANSYS進行有限元分析得到。其安全系數(shù)的計算如下； 安全系數(shù)的計算： （公式22）其中， 曲軸材料對循環(huán)彎曲疲勞極限，40Cr為。 曲軸彎曲時圓角的應力集中系數(shù)，本設計過度圓角為18。 強化系數(shù)，本曲軸為模鍛曲軸，查取內(nèi)燃機設計手冊，取 。 材料對應力循環(huán)不對稱敏感系數(shù)。 脈動循環(huán)時材料的彎曲疲勞極限，對于40Cr曲軸 ，?。?，所以。 絕對尺寸影響系數(shù)，查取資料得 。 疲勞安全系數(shù), ， 等式中， 動力強化系數(shù)，查內(nèi)燃機設計手冊， 。 動荷系數(shù)，一般 ，本次取。 （公式2