韓　林，楊合利

桑塔納2000發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸設(shè)計(jì)

韓林，楊合利

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州253000）

桑塔納汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的特殊化設(shè)計(jì)為該汽車品牌提供了核心競(jìng)爭(zhēng)力。文章采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，對(duì)該型號(hào)曲軸進(jìn)行三維建模，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，對(duì)模型特性進(jìn)行約束，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，獲得了相應(yīng)的機(jī)械特性。

桑塔納；發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸；三維建模；動(dòng)力學(xué)分析

汽車設(shè)計(jì)制造業(yè)正飛速發(fā)展，曲軸是汽車的核心部件，也成為汽車行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。桑塔納汽車是著名品牌汽車，其在曲軸的設(shè)計(jì)與制造方面具有先進(jìn)的技術(shù)。目前曲軸的加工工藝主要是高速度、高效率的復(fù)合式加工技術(shù)，且成為流水線生產(chǎn)，可以完成大批量、精加工的生產(chǎn)任務(wù)。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)尺寸、重量、結(jié)構(gòu)合理性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能影響較大，曲軸的手工繪圖與設(shè)計(jì)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，經(jīng)歷周期較長(zhǎng)，工作量較大。目前，一些基于計(jì)算機(jī)軟件的曲軸設(shè)計(jì)正在飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)可以通過(guò)設(shè)定的邊界條件智能的調(diào)整曲軸結(jié)構(gòu)尺寸。另外每改變一次尺寸，計(jì)算機(jī)可以計(jì)算全部公式，將求得的結(jié)果進(jìn)行比較。文章基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的思想，對(duì)桑塔納2000的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行三維實(shí)體建模，根據(jù)設(shè)定的邊界條件，對(duì)曲軸施加約束，求解出滿足條件的最優(yōu)設(shè)計(jì)。文章的設(shè)計(jì)思想可以為車輛、機(jī)床等機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用提供支持。

1　桑塔納2000曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）曲軸的三維結(jié)構(gòu)建模。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，只需要知道大概結(jié)構(gòu)和尺寸，不需要精確的了解每一道尺寸。在這種情況下，我們對(duì)桑塔納2000的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行三維建模。實(shí)驗(yàn)證明，零件在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要的初始幾何層次越高，設(shè)計(jì)者越容易獲得大量的信息而方便了設(shè)計(jì)過(guò)程，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟。但是基于這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)喪失一定的通用性，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，我們會(huì)形成特定的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，一些通用的零件可以通過(guò)直接調(diào)用的方法獲得。三維實(shí)體建?？梢酝ㄟ^(guò)基本指令建立復(fù)雜模型，也可以通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)形成復(fù)雜三維模型。對(duì)于曲軸的一些基本設(shè)計(jì)參數(shù)包括：設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、連桿的軸頸直徑、主軸的軸頸直徑、連桿比、活塞直徑、曲柄半徑、連桿的中心距；材料參數(shù)主要包括：抗拉強(qiáng)度極限、彈性模量、泊松比等?；谏厦娴姆治?，在PRO/E環(huán)境下進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1　實(shí)體建模參數(shù)設(shè)計(jì)

模型建立工程中需要對(duì)一些部分進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象。曲軸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是大致可以分為幾個(gè)部分：連桿、曲柄、一些輔助墊片等，可以忽略一下油孔等結(jié)構(gòu)?；谏厦娴姆治觯萌S軟件繪制曲軸三維實(shí)體模型如圖1所示。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的三維模型

（2）曲軸設(shè)計(jì)的必要計(jì)算。曲軸不斷重復(fù)的負(fù)載下工作，受到氣體等復(fù)雜的慣性力的作用，曲軸受到的最重要的破壞因素是彎曲載荷。外部加載在曲軸的彎曲載荷計(jì)算公式為：

曲軸所受到的最大膨脹和壓縮載荷分別為各個(gè)計(jì)算公式的代數(shù)求和。假設(shè)外部載荷沿著連桿軸頸方向和主動(dòng)軸線的方向呈現(xiàn)正弦的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)的公式具體如下：

壓力載荷分布曲線函數(shù)為：

Z=Ax2+Bx+c

設(shè)定邊界條件為x=0，z=q1，x=-L，Z=0。設(shè)定沿著圓周方向的壓力公式為：

根據(jù)力的分布公式，可以求得曲軸上每個(gè)節(jié)點(diǎn)矢量力矩，每個(gè)點(diǎn)的力分配到一般節(jié)點(diǎn)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的力的約束。

2　曲軸三維模型分析

（1）曲軸基本參數(shù)特征。曲軸的基本結(jié)構(gòu)可知，零部件的參數(shù)中可以提取驅(qū)動(dòng)曲軸的設(shè)計(jì)參數(shù)。參數(shù)的設(shè)計(jì)包括全局變量和局部變量?jī)煞N，合理的全局變量和局部變量可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供方便，而這些變量的選擇也會(huì)成為尺寸設(shè)計(jì)和表達(dá)方法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸設(shè)計(jì)中，零件的位置關(guān)系包括曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和曲軸的長(zhǎng)度，軸頸的數(shù)量等。另外曲柄的連接形狀可以直接或間接的影響全局變量，但是對(duì)其他的局部變量沒(méi)有影響。

當(dāng)在曲軸的軸承處施加一定的載荷時(shí)，約束施加的準(zhǔn)確與合理性將對(duì)靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析產(chǎn)生較大的影響上面對(duì)曲軸施加的設(shè)計(jì)計(jì)算量會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。約束施加的地方可以轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的邊界條件，而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就是減小了設(shè)計(jì)中的復(fù)雜計(jì)算。通過(guò)忽略一些次要因素，曲軸的整體模型可以得到簡(jiǎn)化，計(jì)算的結(jié)果可以是整體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，局部變量之間得到平衡。

（2）曲軸靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。在PRO/E的制造環(huán)境中，通過(guò)設(shè)定材料屬性、約束情況、受載情況，建立靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，觀察曲軸的靜力學(xué)特性和靜力學(xué)特性。這里由于涉及的曲軸的一個(gè)曲柄，所以對(duì)于傳動(dòng)只是通過(guò)一個(gè)曲柄實(shí)現(xiàn)，曲柄的主要受力點(diǎn)曲柄的側(cè)面。加載后運(yùn)行力學(xué)分析，得到曲軸的力學(xué)分析圖如圖2所示。

從靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析可以看出，曲軸的應(yīng)力集中部分為曲柄的底部，并和材料的疲勞強(qiáng)度有關(guān)。該曲軸設(shè)計(jì)的材料為40Cr，該材料具有較高的塑形可以抵抗較大的變形，對(duì)于曲軸來(lái)說(shuō)，耐用度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，所以應(yīng)該經(jīng)過(guò)疲勞斷裂的檢測(cè)。從受力分析來(lái)看，當(dāng)曲軸收縮到最嚴(yán)重的破壞狀態(tài)時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生斷裂或者其他的破壞狀態(tài)。這說(shuō)明該設(shè)計(jì)的曲軸可以滿足條件。通過(guò)檢測(cè)手里的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值通過(guò)材料的疲勞斷裂極限，說(shuō)明上述材料的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足條件可以使用，且力分析結(jié)果滿足使用要求。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的力學(xué)分析圖

3　結(jié)語(yǔ)

利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行曲軸的設(shè)計(jì)或優(yōu)化處理，可以減少大量復(fù)雜的計(jì)算，并且結(jié)算速度快，計(jì)算準(zhǔn)確度高。汽車專用曲軸的設(shè)計(jì)，采用三維結(jié)構(gòu)模型，假設(shè)約束條件，可以快速有效地完成設(shè)計(jì)。專用曲軸更適合參數(shù)化設(shè)計(jì)，考慮受載荷的特殊性和專用化，實(shí)現(xiàn)特定的需要。文章針對(duì)桑塔納2000發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)思路可以為類似研究提供參考。

［1］李穗平.桑塔納2000AJR電控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，14（2）：132-134.

［2］王曉華，崔志琴，張騰.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011，（12）：43-45.

［3］胡昊.基于Pro/E的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，（5）：113-115.

［4］張杰.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，33（1）：32-35.

［5］徐中明，牟笑靜，彭旭陽(yáng).基于有限元法的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸靜強(qiáng)度分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（9）：977-981.

Crankshaft Design of Santana 2000 Engine

HAN Lin，YANG He-li
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253000，China）

The specia1ization design of santana car engine crankshaft provides the brand core competitiveness for the vehic1e. This artic1e uses the computer aided techno1ogy to bui1d the 3D mode1ingof the crankshaft.Through setting the corresponding boundary conditions，this paper constrains the mode1 characteristics，determines the design parameters of the engine，constructs statics and dynamics ana1ysis of the mode1 and obtains the corresponding mechanica1 properties.

Santana；engine crankshaft；3D mode1ing；dynamics ana1ysis

U472.4

A

2095-980X（2016）03-0059-02

2016-03-14

韓林（1994-），女，山東菏澤人，大學(xué)本科，主要研究方向：汽車運(yùn)用。