概念設(shè)計(jì)階段曲軸強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范

1、1 cae 規(guī)范第 1 部分：概念設(shè)計(jì)階段曲軸強(qiáng)度計(jì)算1 范圍本部分規(guī)定了曲軸曲柄銷圓角、主軸頸圓角強(qiáng)度的校核方法。本部分適用于概念設(shè)計(jì)階段曲軸強(qiáng)度的校核，以安全系數(shù)表示曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的安全裕度。對船用發(fā)動(dòng)機(jī)，需同時(shí)采用船檢規(guī)范進(jìn)行校核。2 名稱、符號(hào)11lj/2| | lp| lj/2| ddplj/2lp11lj/2圖 1 曲軸單拐截?cái)嗪喼Я耗Ｐ褪疽鈭D表-1 曲軸強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)序號(hào)名稱符號(hào)單位1 連桿質(zhì)量rodmkg 2 活塞組質(zhì)量pstmkg 3 曲柄半徑rmm 4 連桿長度lmm 5 缸套內(nèi)徑dmm 6 曲柄銷直徑pdmm 7 曲柄銷長度plmm 2 8 主軸頸直徑j(luò)dmm

2、9 主軸頸長度jlmm 10 連桿大頭軸瓦寬度pslmm 11 曲軸主軸瓦寬度jslmm 12 曲柄銷凸臺(tái)厚度pmm 13 主軸頸凸臺(tái)厚度jmm 14 曲柄銷圓角凹入深度ptmm 15 主軸頸圓角凹入深度jtmm 16 曲柄臂厚度hmm 17 曲柄臂寬度bmm 18 轉(zhuǎn)速nrpm 19 最大爆壓gpmpa 3 計(jì)算流程3 圖 2 流程圖4 計(jì)算原理曲軸的設(shè)計(jì)基于對高應(yīng)力區(qū)域的疲勞安全進(jìn)行評估。本規(guī)范中的計(jì)算基于以下假定：曲柄銷圓角、主軸頸圓角為高應(yīng)力區(qū)域；曲拐簡支在主軸頸上且各曲拐相互獨(dú)立，可簡化為截?cái)嗪喼Я耗Ｐ?；曲柄銷、主軸頸支反力以軸向拋物線、 徑向 120 余弦分布作用在曲柄銷、 主軸頸

3、上；彎曲應(yīng)力是引起曲軸破壞的主要因素，輸出扭矩產(chǎn)生的影響很小，可以忽略不計(jì)。5 計(jì)算工況對長期穩(wěn)定工作于額定轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)，以全負(fù)荷工況為計(jì)算工況； 對在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，以最大扭矩工況為計(jì)算工況；對船用發(fā)動(dòng)機(jī)，以超負(fù)荷（110%負(fù)荷）工況為計(jì)算工況。通常，一個(gè)工作周期內(nèi)， 由燃?xì)鈮毫蛻T性力引起的作用在曲柄銷上的徑向載荷對所有曲柄位置都應(yīng)計(jì)算。簡單起見，徑向力可以采用簡化計(jì)算，并只計(jì)算一個(gè)工作周期內(nèi)的最大受拉和最大受壓兩種狀態(tài)。曲柄銷載荷主軸頸支反力工作彎矩曲軸幾何模型截?cái)嗪喼Я耗Ｐ蚮ea模型等效抗彎截面模量有限元應(yīng)力名義彎曲應(yīng)力理論應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)安全系數(shù)合格敏感系數(shù)屈服

4、極限表面處理尺寸影響修改設(shè)計(jì)，重新計(jì)算計(jì)算結(jié)束是否扭振修正疲勞極限應(yīng)力幅值平均應(yīng)力4 6 曲軸載荷6.1 曲柄銷載荷曲柄銷載荷以軸向拋物線、 徑向 120 余弦分布的分布力作用在曲柄銷上，作用范圍為連桿大頭軸瓦寬度，其大小按以下公式計(jì)算：圖 3 曲柄銷載荷23cos)41(25),(22pspsppplxldfxq式中：pf：作用在曲柄銷上的徑向載荷，n；pf可按曲柄連桿動(dòng)力學(xué)或多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到，對 v 型機(jī)，pf應(yīng)考慮不同的相位和連桿設(shè)計(jì)（分叉連桿、連接連桿、并列連桿等）分別計(jì)算與合成。6.2 主軸頸支反力主軸頸支反力以軸向拋物線、 徑向 120 余弦分布的分布力作用在主軸頸上，作用范圍曲

5、軸主軸瓦寬度，其大小按以下公式計(jì)算：5 圖 4 主軸頸支承反力23cos)41(5),(22,jsjsjkjkjlxldfxq式中，kjf,（2, 1k） ：左右主軸頸上的支承反力，其值按以上分布載荷形式采用簡支梁計(jì)算公式計(jì)算， n。6.3 計(jì)算截面上的彎矩按照單個(gè)曲拐所受分布載荷計(jì)算圖1 中的 1-1 截面的工作彎矩。7 等效抗彎截面模量7.1 內(nèi)凹圓角對于把過渡圓弧移到曲柄里的曲軸沉割圓角，1-1 截面示意圖如圖5，則6 圖 5 1-1 截面（內(nèi)凹圓角）示意圖等效抗彎截面模量：曲柄銷圓角：ppyiw1；主軸頸圓角：jjyiw1。7.1 非內(nèi)凹圓角對于一般的非內(nèi)凹圓角， 1-1 截面示意圖如

6、圖6，則7 圖 6 1-1 截面（非內(nèi)凹圓角）示意圖等效抗彎截面模量：曲柄銷圓角：ppyiw1；主軸頸圓角：jjyiw1。式中：1i：截面相對于中性軸1 的慣性矩， mm4；py：曲柄銷圓角相對于中性軸1 的距離， mm；jy：主軸頸圓角相對于中性軸1的距離， mm；8 名義彎曲應(yīng)力名義彎曲應(yīng)力：wmn,則：曲柄銷圓角：pnwm；8 主軸頸圓角：jnwm。9 疲勞缺口系數(shù)疲勞缺口系數(shù)描述應(yīng)力集中現(xiàn)象使零件疲勞強(qiáng)度降低的程度。9.1 有限元計(jì)算9.1.1 fea 模型幾何模型：建議采用單拐模型，完全對稱曲拐可采用1/4 單拐模型；保證過渡圓角、曲柄銷、主軸頸、曲柄臂幾何尺寸的正確性。網(wǎng)格密度：曲

7、拐中應(yīng)力集中區(qū)域和關(guān)注區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)相對較密；曲柄銷、主軸頸過渡圓角處網(wǎng)格層數(shù)不低于5 層，建議 5-12 層；非關(guān)心區(qū)域單元尺寸可相對較大。網(wǎng)格單元：曲拐中應(yīng)力集中區(qū)域和關(guān)注區(qū)域單元質(zhì)量應(yīng)相對較好；單元類型建議采用六面體二階單元或四面體二階單元，禁止使用四面體一階單元。9.1.2 載荷、邊界條件曲柄銷載荷、主軸頸載荷均為5 曲軸載荷中所述最大載荷情況的分布載荷。在曲拐上變形較小位置選取部分節(jié)點(diǎn)（410 個(gè)）接地彈簧約束以消除截?cái)嗾`差而正常求解。若采用 1/2 或 1/4 單拐模型，則應(yīng)在相應(yīng)剖分面上建立法向?qū)ΨQ約束。9.1.3 結(jié)果變形：曲拐為軸向彎曲變形，可通過此變形情況初步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驼_性。應(yīng)

8、力：曲柄銷圓角處，選取最大主應(yīng)力的最大值計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)；主軸頸圓角處，選取最小主應(yīng)力的絕對值最大值計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)。9.2 理論應(yīng)力集中系數(shù)max,maxn式中，：理論應(yīng)力集中系數(shù)；max：為有限元計(jì)算所得的最大應(yīng)力值，mpa；m ax,n：為名義應(yīng)力最大值， mpa。9 9.3 疲勞缺口系數(shù)的計(jì)算)1(1qk式中：k：疲勞缺口系數(shù)q：材料的敏感系數(shù)，其取值可以參照表-2 選取1 。表-2 材料敏感系數(shù)q的統(tǒng)計(jì)均值（旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)）材料熱處理b/mpa 應(yīng)力比r理論應(yīng)力集中系數(shù)敏感系數(shù)均值q敏感系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)離差qs45 鋼850正火576624 -1 2 0.4811 0.0116 40cr

9、 850油淬，560回火854940 -1 2 0.6727 0.0343 42crmo850油淬，500回火1134 -1 2 0.6094 0.0139 qt700-2 球鐵900正火754 -1 2 0.6059 0.0303 qt800-2 球鐵900正火858 -1 2 0.7109 0.0390 10 安全系數(shù)10.1 疲勞極限線圖| | -(圖 7 鋼曲軸疲勞安全極限線圖10 -圖 8 球鐵曲軸疲勞安全極限線圖圖 7 和圖 8 為本部分中安全系數(shù)計(jì)算采用的疲勞安全極限線圖。各參數(shù)意義如下：b：材料的抗拉強(qiáng)度， mpa；s：材料的屈服極限， mpa；1：材料的疲勞極限， mpa；2

10、min,max,nna：應(yīng)力幅值， mpa；2min,max,nnm：平均應(yīng)力， mpa。10.2 安全系數(shù)計(jì)算對鋼曲軸，n、sn兩個(gè)安全系數(shù)計(jì)算公式如下：0m時(shí)：matgkn1；amssn。0m時(shí)：11 akn1；amssn。對球鐵曲軸，n、sn兩個(gè)安全系數(shù)計(jì)算公式如下：0m時(shí)（僅計(jì)算n）：makkn1。0m時(shí)：akn1；)(ambsn。其中：n：疲勞安全系數(shù)；sn塑性安全系數(shù)；)(2111btg；b1：不對稱循環(huán)影響系數(shù)；：尺寸影響系數(shù)， mpa；鋼曲軸可采用公式14. 010d計(jì)算，球鐵曲軸則應(yīng)乘上0.850.9的分散因子。：表面質(zhì)量系數(shù)， mpa；可參照表 3 選取2。表 3 表面質(zhì)量系數(shù)12 表面強(qiáng)化方法結(jié)構(gòu)鋼球墨鑄鐵模鍛曲軸1.10 - 滾壓圓角1.201.70 1.501.90 氮化1.30 1.30 圓角淬火1.302.00 - 噴丸1.301.40 - 上述安全系數(shù)計(jì)算沒有考慮曲軸輸出扭矩和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響，在概念設(shè)計(jì)階段， 可用參數(shù)d來考慮曲軸扭振的影響，即安全系數(shù)：)/(/dsdnnn式中，d為動(dòng)力影響系數(shù)，可由表4 查得2。表 4 動(dòng)力影響系數(shù)10.3 許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)依據(jù)計(jì)算方法、計(jì)算精度、工藝水平、材料性質(zhì)等具體情況并參考同類型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)確定。按照上述計(jì)算方法，對于