基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的8V110柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究課件

1、 李文，廖日東，侯世遠(yuǎn)北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院 基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的8V110柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及設(shè)計(jì)曲軸表面工藝的設(shè)計(jì)淬火滾壓氮化曲軸單拐的疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)音叉系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)臺(tái)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)曲軸表面工藝的設(shè)計(jì)淬火問題描述升功率和轉(zhuǎn)速的提高使得曲軸承受著更加劇烈的周期性載荷；結(jié)構(gòu)的緊湊性和剛度要求使得軸頸兩側(cè)過(guò)渡圓角的尺寸受到限制。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)提高曲軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。高強(qiáng)化柴油機(jī)各強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高后曲軸強(qiáng)度存在的問題：論文進(jìn)行的主要工作： 通過(guò)有限元計(jì)算對(duì)減重孔和油道進(jìn)行了多方案的討論和分析，提出了最有利與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方案。原方案存在的問題連桿軸頸減重孔為水平

2、方向通孔，一方面減重效果不佳，一方面造成連桿軸頸局部剛度下降；減重孔與油道相交處存在尖角，容易局部應(yīng)力集中未設(shè)計(jì)主軸頸減重孔，一方面不能得到較好的設(shè)計(jì)重量，一方面不能通過(guò)減重孔降低圓角區(qū)域的應(yīng)力集中。改進(jìn)設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)變量曲軸過(guò)渡圓角處的最大VonMise等效應(yīng)力 max，連桿軸頸減重孔直徑dw1；連桿軸頸減重孔與水平軸間的夾角；主軸頸減重孔直徑dw2約束變量 由于受到主軸頸和連桿軸頸重合度，軸頸長(zhǎng)度及曲柄厚度的限制，各變量均受到一定程度的限制。減重孔直徑dw1與連桿軸頸d1之比：連桿軸頸減重孔與水平軸間的夾角: 0 30 主軸頸減重孔半徑dw2與主軸頸d2之比：改進(jìn)設(shè)計(jì)分析曲軸單拐的有限元模型

3、位移邊界條件：力邊界條件： 載荷沿連桿軸頸和主軸頸軸線方向按二次拋物線規(guī)律分布；沿軸頸圓周方向120范圍內(nèi)按余弦規(guī)律分布，曲軸單拐的有限元模型收斂性分析：結(jié)構(gòu)的局部網(wǎng)格 1.增加單元數(shù)量 2.提高單元階次結(jié)構(gòu)的全局網(wǎng)格，圖2.1 過(guò)渡圓角周向與徑向網(wǎng)格數(shù)與過(guò)渡圓角最大MIses應(yīng)力的關(guān)系曲軸單拐的有限元模型結(jié)構(gòu)的全局網(wǎng)格，全局網(wǎng)格尺寸模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量最大應(yīng)力/MPa4.5mm341626709.23.5mm589932709.42mm1775511710.11mm3051524713.2全局網(wǎng)格尺寸與最大等效應(yīng)力的關(guān)系改進(jìn)設(shè)計(jì)2.連桿軸頸減重孔角度，設(shè)計(jì)原則：（1）盡量減去最多的重量；（2）減重孔

4、應(yīng)盡量位于軸的內(nèi)部，不會(huì)使減重孔偏向結(jié)構(gòu)表面，應(yīng)該給淬火層留出足夠空間。使得連桿軸頸減重孔基本處于連桿軸頸的內(nèi)部中間位置。同時(shí)考慮到實(shí)際加工問題，取減重孔角度與水平軸線夾角=25，減重孔結(jié)構(gòu)形式主軸頸過(guò)渡圓角Mises應(yīng)力/MPa連桿軸頸過(guò)渡圓角Mises應(yīng)力/MPa水平通孔664658V型孔644651表3 不同減重孔形式下的最大Mises應(yīng)力改進(jìn)設(shè)計(jì)，3.連桿軸頸減重孔的直徑 一方面不能距連桿軸頸圓角過(guò)近，另一方面不能距主軸頸圓角過(guò)近。因此，該參數(shù)的變化范圍不大。原減重孔直徑為28mm，現(xiàn)將減重孔直徑增加至30mm，此時(shí)減重孔孔壁已與本文中定義的圓角應(yīng)力集中區(qū)域相切。dw1主軸頸過(guò)渡圓角M

5、ises應(yīng)力/MPa連桿軸頸過(guò)渡圓角Mises應(yīng)力/MPa28mm64465130mm640646表4 不同dw1下的最大Mises應(yīng)力改進(jìn)結(jié)果，表4 不同dw1下的最大Mises應(yīng)力表5 不同dw1下的最大Mises應(yīng)力主軸頸過(guò)渡圓角Mises應(yīng)力/MPa連桿軸頸過(guò)渡圓角Mises應(yīng)力/MPa原型608709改進(jìn)后628613表6 改進(jìn)前后的圓角處最大Mises應(yīng)力值1. 結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力由708.6MPa降低為628.0MPa，降幅為11.3%。2. 最大應(yīng)力點(diǎn)由連桿軸頸圓角移至主軸頸過(guò)渡圓角。3. 連桿軸頸處的最大拉應(yīng)力降低了13.5%，主軸頸處的最大壓應(yīng)力增大了1.65%。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命大幅提高。改進(jìn)結(jié)果，表4 不同dw1下的最大Mises應(yīng)力表5 不同dw1下的最大Mises應(yīng)力主軸頸過(guò)渡圓角Mises應(yīng)力/MPa連桿軸頸過(guò)渡圓角Mises應(yīng)力/MPa原型608709改進(jìn)后628613表6 改進(jìn)前后的圓角處最大Mises應(yīng)力值改進(jìn)結(jié)果，表4 不同dw1下的最大Mises應(yīng)力表5 不同dw1下的最大Mises