曲轴飞轮组设计[精品].ppt

第六章 曲轴飞轮组设计 第一节 曲轴的工作情况、材料选择 第二节 曲轴的结构设计 第二节 曲轴的结构设计 第四节 提高曲轴疲劳强度的结构措施和 工艺措施 第五节 飞轮的设计 第六章 曲轴飞轮组设计 第一节 曲轴的工作情况、材料选择 一、工作条件、设计要求 工作条件： 周期变化的力、力矩共同作用，即受弯曲又受扭转，承受交变疲劳载荷，重点是弯曲载荷。曲轴的破坏80％是弯曲疲劳破坏。 形状复杂，应力集中严重。 轴径比压大，摩擦磨损严重。 设计要求： 有足够的耐疲劳强度 有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨 尽量减少应力集中 刚度要好，变形小，否则恶化其它零件的工作条件。 二、材料 要根据用途和强化程度，正确选用： 中碳钢（35＃，40＃，45＃），合金钢，球墨铸铁 * 第二节 曲轴的结构设计 长度－决定于缸心距L0 、缸径 一、曲柄销D2 和L2 趋势：D2 ，L2 优点： L2 一定时，D2增加，比压下降，耐磨性提高。 D2增加，弯曲刚度增加，扭转刚度增加。 L2下降，纵向尺寸下降，刚度提高。 从润滑理论来讲，希望 提高D2 受到两个限制： D2增加导致离心力增加，转动惯量增加 受到连杆大头及剖分面形式影响，一般 承压面积 ，一般 ，汽油机偏下。 * 二、主轴颈 D1，L1 从等刚度出发，D1＝D2；从等强度出发，D1D2；实际结构中，D1D2 原因： D1增加，可以提高曲轴刚度，增加了曲柄刚度，不增加离心力。 ② D1增加，可增加扭转刚度，固有频率 ，转动惯量 I 不多。 ③ 但是，D1增加，圆周速度 ，摩擦损失 ，油温 。 一般 三、曲柄 整体式曲轴中最薄弱的环节。横截面的抗弯模数为 ∵h ，圆角处应力集中 ； 多数采用椭圆形曲柄 * 第三节 曲轴的疲劳强度校核 一、曲轴的损坏形式和强度计算方法 主要是弯曲疲劳破坏（80％）和扭转疲劳破坏。 现在绝大部分采用有限元方法，极少采用简支梁法。 二、疲劳强度校核 曲轴圆角处和油孔处的应力集中严重，是校核的重点 * 曲柄受力及应力分布示意图 * f(x) fy(xy) fq(xq) 设计强度 使用应力 应力－强度干涉模型 可靠度 在应力与强度概率曲线相交的区域面积，视为发生破坏的概率 * 曲轴目前采用优化设计方法： ①建立目标函数 ② 确定约束条件 ③确定设计变量和设计参数 ④采用适当的算法（复合形法，惩罚函数法，单纯形法），求解目标函数。 * 第四节 提高曲轴疲劳强度的结构措施和工艺措施 一、结构措施 加大曲轴轴颈的重叠度A（＝ ）。增加抗弯和抗扭刚度。 2. 加大轴颈附近的过渡圆角 重叠度的无量纲形式： 1／4椭圆法；分段圆弧法；沉割圆角法 * 3. 采用空心曲轴 提高弯曲刚度，减小应力集中，减轻曲轴重量 4. 开卸载槽 采用沉割圆角的曲轴 有卸载槽的曲轴结构 * 二、工艺措施 1. 圆角滚压强化 原理：表面产生剩余压应力，低消部分工作拉伸应力，提高曲轴的疲劳强 度。钢轴疲劳强度可提高30％，球铁轴疲劳强度可提高30～60％。 * 2. 圆角淬火 用热处理的方法使金属发生组织相变，如产生马氏体相、贝氏体相，发生体积膨张而产生残余压应力。曲轴疲劳强度可提高30～50％ * 曲轴淬火残余应力仿真模拟 考虑表面淬火的曲轴强度分析模型 曲轴在表面淬火处理之后，表面材料发生了变化。为了真实模拟曲轴的疲劳强度，应该在曲轴有限元模型中考虑淬火硬化的过程和效果。利用仿真模拟的方法模拟曲轴高频感应加热淬火过程，在曲轴表面形成残余应力，然后用带有残余应力的曲轴有限元模型进行疲劳强度计算分析。 * 3. 喷丸强化处理 与滚压强化的道理一样，属于冷作硬化变形，在金属表面留下压应力，而且使表面硬度提高，从而提高曲轴的疲劳强度 4. 氮化处理 利用辉光离子氮化或气体软氮化方法，使氮气渗入曲轴表面，由于氮的扩散钠作用，使金属体积增大，因而产生挤压应力。曲轴疲劳强度可提高30％。 * 第五节 飞轮的设计 一、飞轮的作用 输出扭矩大于阻力矩时，吸收多余的功，转速略增。 输出扭矩小于阻力矩时，释放储存的能量，转速略减。 总之，作用就是调节曲轴转速变化，稳定转速。 扭矩不均匀系数 曲轴角速度变化率 曲轴运转不均匀系数 降低ω波动的措施： 增加气缸数，发火均匀； 增加发动机转动惯量I0，最有效的方法就是装飞轮。 * 二、飞轮转动惯量If的确定 1. 盈亏功△E * i μ ξ 1 10~20 1.1~1.3 2 8~15 0.5~0.8 3~4 5~10 0.2~0.4 6 1.5~3.5 0.06~0.