cz380型柴油机曲轴优化设计【字数：8703】
曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零部件，其结构性能的好坏直接影响发动机的工作性能和工作可靠性。本文主要介绍CZ380型柴油机整体式曲轴的设计与分析优化。在介绍曲轴的工作条件及设计要求的基础上，确定曲轴材料采用球墨铸铁（QT700-2），其结构形式采用整体式曲轴。通过设计计算，确定了曲轴的主要结构参数。根据曲轴的结构参数，利用CATIA建立了曲轴的三维模型，并对所建模型进行了有限元分析。由应力、应变图可看出不同缸点火做功时曲轴上所承受最大应力应变的位置和数值大小，进而以此为依据进行有针对性地改进设计。通过优化分析，完成了对曲轴材料的选定和结构尺寸的定型设计，经过一系列分析验证后，判定此曲轴设计合格。
目录
1．绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3主要研究内容及方法 2
1.3.1主要研究内容 2
1.3.2主要研究方法 2
2．曲轴结构设计 3
2.1曲轴的工作条件及设计要求 3
2.2曲轴的材料选择 3
2.4曲轴主要结构参数确定 4
2.4.1轴颈尺寸的确定 4
2.4.2曲柄臂尺寸的确定 4
2.4.3圆角的确定 5
2.4.4润滑油道设计 5
2.4.5曲轴平衡重设计 6
2.5本章小结 7
3．曲轴的ANSYS静态分析 8
3.1曲轴模型建立 8
3.2材料特性确定 9
3.3单元类型与网格划分 9
3.3.1确定单元格类型 9
3.3.2网格划分 10
3.4确定边界条件 10
3.4.1载荷计算 10
3.4.2载荷的模拟加载 12
3.4.3约束条件 13
3.5仿真结果分析 13
3.5.1应力分析 13
3.5.2应变分析 14
3.6曲轴强度校核 16
3.6.1静强度校核 16
3.6.2疲劳强度校核 16
3.7本章小结 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.结论 18
参考文献 19
致谢 20
1．绪论
1.1课题研究背景
曲轴是柴油机最关键、最难加工的部件之一。在内燃机工作时，其不仅承载周期性变化的载荷，而且面临复杂的弯曲、扭转应力[1]，其强度和寿命经受着严峻的考验。因此，曲轴的设计将面临更高的标准。
曲轴的设计过程是个辩证研究的过程[1]，不能一蹴而就。传统的曲轴设计方式已经不足以满足现代曲轴设计要求。随着计算机技术越来越广泛的应用于工业领域，设计人员可利用CAD、CATIA、ANSYS等三维软件虚拟设计制图，在计算机上修改原尺寸和公差，并进行零部件的装配[1]。设计人员可以更方便地检查设计的结果和修改设计内容，这些都为曲轴的设计开发创造了有利条件。
现今，有限元技术在柴油机曲轴设计中应用很广泛。有限元的分析软件和各类三维软件的配合使用可以很容易达到分析优化传统设计的目的，这使得传统设计的开发周期缩短、开发质量提高。
1.2国内外研究现状
国外研究人员对曲轴的研究工作起步较早。汽车工业成熟的国家在这些年更是加快推进对长寿命、高性能发动机的研发，曲轴作为发动机关键部位自然也被大力研发。国外的RICARDO等公司专门为内燃机开发分析软件来优化内燃机各部件及整体性能，这其中就包括曲轴的分析优化。此外，汽车工业发达国家和主要汽车厂商也一直致力于对曲轴静态、动态等特性的分析。W?Knoch等人，在利用分析软件分析后经过公式推演和图形绘制，给出了获得曲轴最大应力数据的解决途径[2]。
国内对于柴油机曲轴强度方面的研究与国际领先水平相比有一定的滞后。以前的曲轴研究缺乏严谨性，所谓分析设计主要包括：对曲轴做应力测量实验和归纳出圆角应力集中系数的计算[3]。但是，当试验条件达不到一定标准、试验品数量较少时就导致所得结果常常与理论方向偏差很大。而随着我国汽车工业近年来的飞速发展，国内开始有越来越多的机构和人员在从事发动机曲轴优化相关工作了。
西北农林科技大学的张晋伟等人运用CAD/CAE技术和有限元方法，对4125A型柴油机曲轴进行了动力学分析：他们的研究主要基于三维软件Pro/E和大型有限元分析软件ANSYS，对曲轴分析包括：模态分析和瞬态分析[4]。中北大学的刘学荣等人为了研究曲轴固有频率特性，在《基于有限元法农用柴油机曲轴模态分析》中利用CATIA建立了一个单缸柴油机曲轴模型，并使用有限元分析软件Abaqus对曲轴进行了模态分析，通过查看所得到的各阶固有频率和振型可知曲轴避开共振的频率区域[5]，为曲轴的优化设计和动力学分析提供理论依据，提高了柴油机曲轴的可靠性。
1.3主要研究内容及方法
1.3.1主要研究内容
选择曲轴主体形式时要考虑：可靠性、力学性能等。对比组合式和整体式发现：一般情况下整体式曲轴的以上各方面表现更好，此外，它良好的稳定性及加工表面不多[6]也是很大优势。所以本次优化设计仍然选择整体式曲轴设计方案。通过材料的选择、部分设计方式的改进为CZ380型柴油机设计出了一种在结构、材料、强度等方面更为合理的曲轴。查阅CZ380型柴油机性能与结构参数，并据此计算必要的曲轴结构参数，进而确定曲轴的建模方向，再通过仿真分析反馈来指导所设计曲轴的进一步优化。
1.3.2主要研究方法
根据发动机主要参数计算确定曲轴主要尺寸后，为了直观分析，需要利用三维软件来实体建模，本设计选用CATIA建模。ANSYS软件的应用目的在于：仿真分析而找出设计缺陷进而指导设计优化。有限元分析：通过施加模拟边界条件对曲轴各工况下的载荷进行仿真[7]，有限元单元相互作用，运用极限逼近思想求解。
2．曲轴结构设计
2.1曲轴的工作条件及设计要求
曲轴在柴油机中地位特殊[8]，它不但直观决定着柴油机的尺寸、质量，而且也一定程度上决定着柴油机的可靠性和寿命[8]，此外曲轴还负责导出功率。因此曲轴设计的地位极其重要[9]。运动中的曲轴实际受力很难具体表示和描述，当气体作用力、往复及旋转惯性力[10]等复合叠加在曲轴上时就产生了变化复杂的周期性载荷。所以曲轴承受交变的拉伸、弯曲振动和扭转振动[10]。因此，在掌握曲轴工作过程中受载荷规律的情况下，合理地进行有针对性设计改进会对改善曲轴的可靠性和提高曲轴寿命有意义重大。
目录
1．绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3主要研究内容及方法 2
1.3.1主要研究内容 2
1.3.2主要研究方法 2
2．曲轴结构设计 3
2.1曲轴的工作条件及设计要求 3
2.2曲轴的材料选择 3
2.4曲轴主要结构参数确定 4
2.4.1轴颈尺寸的确定 4
2.4.2曲柄臂尺寸的确定 4
2.4.3圆角的确定 5
2.4.4润滑油道设计 5
2.4.5曲轴平衡重设计 6
2.5本章小结 7
3．曲轴的ANSYS静态分析 8
3.1曲轴模型建立 8
3.2材料特性确定 9
3.3单元类型与网格划分 9
3.3.1确定单元格类型 9
3.3.2网格划分 10
3.4确定边界条件 10
3.4.1载荷计算 10
3.4.2载荷的模拟加载 12
3.4.3约束条件 13
3.5仿真结果分析 13
3.5.1应力分析 13
3.5.2应变分析 14
3.6曲轴强度校核 16
3.6.1静强度校核 16
3.6.2疲劳强度校核 16
3.7本章小结 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
4.结论 18
参考文献 19
致谢 20
1．绪论
1.1课题研究背景
曲轴是柴油机最关键、最难加工的部件之一。在内燃机工作时，其不仅承载周期性变化的载荷，而且面临复杂的弯曲、扭转应力[1]，其强度和寿命经受着严峻的考验。因此，曲轴的设计将面临更高的标准。
曲轴的设计过程是个辩证研究的过程[1]，不能一蹴而就。传统的曲轴设计方式已经不足以满足现代曲轴设计要求。随着计算机技术越来越广泛的应用于工业领域，设计人员可利用CAD、CATIA、ANSYS等三维软件虚拟设计制图，在计算机上修改原尺寸和公差，并进行零部件的装配[1]。设计人员可以更方便地检查设计的结果和修改设计内容，这些都为曲轴的设计开发创造了有利条件。
现今，有限元技术在柴油机曲轴设计中应用很广泛。有限元的分析软件和各类三维软件的配合使用可以很容易达到分析优化传统设计的目的，这使得传统设计的开发周期缩短、开发质量提高。
1.2国内外研究现状
国外研究人员对曲轴的研究工作起步较早。汽车工业成熟的国家在这些年更是加快推进对长寿命、高性能发动机的研发，曲轴作为发动机关键部位自然也被大力研发。国外的RICARDO等公司专门为内燃机开发分析软件来优化内燃机各部件及整体性能，这其中就包括曲轴的分析优化。此外，汽车工业发达国家和主要汽车厂商也一直致力于对曲轴静态、动态等特性的分析。W?Knoch等人，在利用分析软件分析后经过公式推演和图形绘制，给出了获得曲轴最大应力数据的解决途径[2]。
国内对于柴油机曲轴强度方面的研究与国际领先水平相比有一定的滞后。以前的曲轴研究缺乏严谨性，所谓分析设计主要包括：对曲轴做应力测量实验和归纳出圆角应力集中系数的计算[3]。但是，当试验条件达不到一定标准、试验品数量较少时就导致所得结果常常与理论方向偏差很大。而随着我国汽车工业近年来的飞速发展，国内开始有越来越多的机构和人员在从事发动机曲轴优化相关工作了。
西北农林科技大学的张晋伟等人运用CAD/CAE技术和有限元方法，对4125A型柴油机曲轴进行了动力学分析：他们的研究主要基于三维软件Pro/E和大型有限元分析软件ANSYS，对曲轴分析包括：模态分析和瞬态分析[4]。中北大学的刘学荣等人为了研究曲轴固有频率特性，在《基于有限元法农用柴油机曲轴模态分析》中利用CATIA建立了一个单缸柴油机曲轴模型，并使用有限元分析软件Abaqus对曲轴进行了模态分析，通过查看所得到的各阶固有频率和振型可知曲轴避开共振的频率区域[5]，为曲轴的优化设计和动力学分析提供理论依据，提高了柴油机曲轴的可靠性。
1.3主要研究内容及方法
1.3.1主要研究内容
选择曲轴主体形式时要考虑：可靠性、力学性能等。对比组合式和整体式发现：一般情况下整体式曲轴的以上各方面表现更好，此外，它良好的稳定性及加工表面不多[6]也是很大优势。所以本次优化设计仍然选择整体式曲轴设计方案。通过材料的选择、部分设计方式的改进为CZ380型柴油机设计出了一种在结构、材料、强度等方面更为合理的曲轴。查阅CZ380型柴油机性能与结构参数，并据此计算必要的曲轴结构参数，进而确定曲轴的建模方向，再通过仿真分析反馈来指导所设计曲轴的进一步优化。
1.3.2主要研究方法
根据发动机主要参数计算确定曲轴主要尺寸后，为了直观分析，需要利用三维软件来实体建模，本设计选用CATIA建模。ANSYS软件的应用目的在于：仿真分析而找出设计缺陷进而指导设计优化。有限元分析：通过施加模拟边界条件对曲轴各工况下的载荷进行仿真[7]，有限元单元相互作用，运用极限逼近思想求解。
2．曲轴结构设计
2.1曲轴的工作条件及设计要求
曲轴在柴油机中地位特殊[8]，它不但直观决定着柴油机的尺寸、质量，而且也一定程度上决定着柴油机的可靠性和寿命[8]，此外曲轴还负责导出功率。因此曲轴设计的地位极其重要[9]。运动中的曲轴实际受力很难具体表示和描述，当气体作用力、往复及旋转惯性力[10]等复合叠加在曲轴上时就产生了变化复杂的周期性载荷。所以曲轴承受交变的拉伸、弯曲振动和扭转振动[10]。因此，在掌握曲轴工作过程中受载荷规律的情况下，合理地进行有针对性设计改进会对改善曲轴的可靠性和提高曲轴寿命有意义重大。
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