熱動課程設(shè)計

1、 熱動專業(yè)課程設(shè)計說明書院 別： 能源與動力工程學(xué)院 專 業(yè)： 熱能與動力工程 班 級： 工程熱物理0901 姓 名： 房文勝 學(xué) 號： 3090205012 指導(dǎo)教師： 潘劍鋒 2013年 1月18日目 錄前言：一、一拐曲軸概況1. 一拐曲軸的結(jié)構(gòu)特點 2. 一拐曲軸工作情況3. 一拐曲軸設(shè)計要求4. 一拐曲軸的材料選用二、一拐曲軸PROE建模1.建模步驟2.建模最終圖三、一拐曲軸ANSYS有限元分析1.倒入模型2.設(shè)置單元類型3.設(shè)置材料的密度，楊氏模量和泊松比4.創(chuàng)建網(wǎng)格5.設(shè)置載荷和約束6.求解結(jié)果操作四、總結(jié)五、參考文獻前 言曲軸是發(fā)動機最重要的機件之一，是引擎的心臟，如果它的功能無

2、法準(zhǔn)確的執(zhí)行，那么引擎的馬力就無法正常的發(fā)揮。一般由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和后端等組成。一個主軸頸、一個連桿軸頸和一個曲柄組成了一個曲拐，曲軸的曲拐數(shù)目等于氣缸數(shù)（直列式發(fā)動機），V型發(fā)動機曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。曲軸與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力變?yōu)樾D(zhuǎn)的動力，傳給底盤的傳動機構(gòu)。同時，驅(qū)動配氣機構(gòu)和其它輔助裝置，如風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機等。工作時，曲軸承受氣體壓力，慣性力及慣性力矩的作用，受力大而且受力復(fù)雜，并且承受交變負荷的沖擊作用。同時，曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件，因此，要求曲軸具有足夠的剛度和強度，具有良好的承受沖擊載荷的能力，耐磨損且潤滑良好。我們的課程設(shè)計主要研究的是

3、兩拐曲軸的相關(guān)動力性能及強度計算。我們運用所學(xué)的內(nèi)燃機設(shè)計、機械制造基礎(chǔ)、內(nèi)燃機燃燒與排放、工程材料、CAD工程制圖、UG建模等課程，綜合大學(xué)中所學(xué)的課程進行曲軸的分析校核設(shè)計。通過研究曲軸的工作過程以及加工工藝過程，以及曲軸的三維實體建模和ANSYS強度分析計算，使我們理論結(jié)合實踐，提高實際操作能力，增強自身的核心競爭力，在課程設(shè)計的過程中具體目標(biāo)有如下幾個：1、分析曲軸工作環(huán)境，性能要求以及材料等；2、根據(jù)圖紙進行三維實體建模；3、對模型進行有限元分析；4、根據(jù)有限元分析的結(jié)果進行強度分析。課程設(shè)計說明書一、一拐曲軸概況1. 一拐曲軸結(jié)構(gòu)特點曲軸一般由主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡塊、前端和

4、后端等組成。一個主軸頸、一個連桿軸頸和一個曲柄組成了一個曲拐，曲軸的曲拐數(shù)目等于氣缸數(shù)（直列式發(fā)動機），V型發(fā)動機曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。我們設(shè)計的是直列式發(fā)動機的兩拐曲軸。主軸頸是曲軸的支承部分，通過主軸支承在曲軸箱的主軸承座中，曲軸的支承方式分為全支承曲軸和非全支承兩種。而我們采取的是全支承曲軸。曲軸的連桿軸頸是曲軸和連桿的連接部分，通過曲柄和主軸頸相連，在連接處用圓弧過渡，以減少應(yīng)力集中。直列發(fā)動機的連桿軸頸數(shù)目與氣缸數(shù)相等，V型發(fā)動機的連桿軸頸數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。曲柄是主軸頸和連桿軸頸的連接部分，斷面為橢圓形，為了平衡慣性力，鑄有（或緊固有）平衡重塊。它可以用來平衡發(fā)動機不平衡的

5、離心力矩，有時還用來平衡一部分往復(fù)慣性力，從而使曲軸旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。曲軸的形狀和曲拐相對位置（即曲拐的布置）取決于氣缸數(shù)、氣缸排列和發(fā)動機的發(fā)火順序。安排多缸發(fā)動機的發(fā)火順序應(yīng)注意使連續(xù)作功的兩缸相距盡可能遠，以減少主軸承的載荷，同時避免可能發(fā)生的進氣重疊現(xiàn)象。2.曲軸工作情況曲軸是發(fā)動機的主要旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，它擔(dān)負著將活塞的上下往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼膱A周運動。通常所說的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就是曲軸的轉(zhuǎn)速。曲軸與連桿配合將作用在活塞上的氣體壓力變?yōu)樾D(zhuǎn)的動力，傳給底盤的傳動機構(gòu)。同時，驅(qū)動配氣機構(gòu)和其它輔助裝置，如風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機等。工作時，曲軸承受氣體壓力，慣性力及慣性力矩的作用，受力大而且受力復(fù)雜，并且承受交變

6、負荷的沖擊作用。同時，曲軸又是高速旋轉(zhuǎn)件，使軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲。3.曲軸的設(shè)計要求曲軸在不同周期性的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力以及它們的力矩（扭轉(zhuǎn)和彎曲）共同作用下工作，使曲軸既扭轉(zhuǎn)又彎曲，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力狀態(tài)。在設(shè)計時應(yīng)首先保證曲軸具有在足夠的彎曲強度和扭轉(zhuǎn)剛度。如果強度不足，會發(fā)生造成嚴重事故。為此，必須選用高強度的材料；合理的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。曲軸各軸頸在很高的比壓下，以很大的相對速度在軸承中發(fā)生滑動摩擦。這些軸承在實際變工況運轉(zhuǎn)條件下并不總能保證液體摩擦，尤其當(dāng)潤滑不潔凈時，軸頸表面遭到強烈的磨料磨損，使得曲軸的實際使用壽命大大降低。所以設(shè)計時，要使其各摩擦表面耐磨，各軸頸應(yīng)具有足夠的

7、承壓面積同時給予盡可能好的工作條件。4.曲軸的材料選用汽車發(fā)動機曲軸的材料一般采用45鋼（精選含碳的質(zhì)量分數(shù)為0.42%-0.47%）或40Cr、35CrMo，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以提高其強度及抗沖擊能力。為提高耐磨性和耐疲勞強度，軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，并經(jīng)精磨加工，以達到較高的表面硬度和表面粗糙度的要求。二、一拐曲軸PROE建模Pro/E軟件是美國PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一體化軟件。無論是造型設(shè)計、工程出圖，以及3D裝配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可動態(tài)修改的特點。Pro/E更是以其基于特征的參數(shù)化設(shè)計、單一數(shù)據(jù)庫下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世。另外還具有

8、模具設(shè)計，動態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，計算質(zhì)量特征（如質(zhì)心、慣性矩）等功能模塊。用Pro/E創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉(zhuǎn)動態(tài)觀察結(jié)構(gòu)形體，更可以進行方便的動態(tài)修改和調(diào)整。進行力學(xué)分析、運動分析、數(shù)控加工等。因此我們選用pro/E進行兩拐曲軸的建模。1.建模步驟1）拉伸前部的軸運用拉伸工具，如圖2所示： 圖12）拉伸第二段軸運用拉伸工具，如圖2所示： 圖23）拉伸第三段軸運用拉伸工具，如圖3所示： 圖34）拉伸尺寸如圖4所示。 圖45）拉伸鍵槽如圖5所示。圖56) 凸輪的設(shè)計如圖6所示。 圖67）拉伸如圖7所示。 圖78）拉伸連接軸如圖8所示。 圖89）鏡像凸輪如圖9所示。 圖9

9、10) 拉伸如圖10所示 圖1011） 前軸中心孔旋轉(zhuǎn)生成 圖11 12）拉伸運用拉伸工具，如圖12所示： 圖12a 圖12b 13）、拉伸軸運用拉伸工具，如圖13所示： 圖1316）、拉伸軸 運用拉伸工具，如圖16所示：圖1617）、螺紋孔設(shè)計 運用拉伸陣列工具，如圖17所示： 陣列螺紋孔圖1718）、打孔如圖所示：圖1819）、旋轉(zhuǎn)生成孔運用旋轉(zhuǎn)工具，如圖19所示：圖19a圖19b20）、最后進行倒角和圓角等細節(jié)處理運用拉伸工具，如圖20所示：圖202.建模最終圖三、 曲軸ANSYS有限元分析1.導(dǎo)入模型打開Ansys workbench，雙擊Static Structural彈出如下對話

10、框右擊Geometry點擊Browse導(dǎo)入pro/e模型，然后雙擊Model導(dǎo)入圖形導(dǎo)入效果如下：2.材料選擇材料選擇結(jié)構(gòu)鋼 密度：9850kg/m3,楊氏模量：2E+11Pa，泊松比：0.3 由圖可證明材料已添加到模型中。3.網(wǎng)格劃分單元網(wǎng)格密度為5mm,采用默認算法，自動生成網(wǎng)格為下圖所示；4.施加約束和載荷曲軸圖示處與軸承相接觸，施加約束限制兩個轉(zhuǎn)動和兩個移動如下圖所示；添加載荷：X方向 5500N Y方向 4800N Z方向 0N考慮重力的影響，設(shè)置豎直X向下的重力，如下圖所示；6求解點擊solve進行計算，結(jié)果如下A.總形變云圖由圖可見，平衡配重處為最大變形點，最大形變量為0.002

11、6524mm，形變量最小處為與配重對應(yīng)的主軸頸上端，形變量為2.7005e-5。 B.應(yīng)力云圖應(yīng)力最大處為主軸頸與曲臂接觸的過度圓角處，如圖所示，最大數(shù)值為14.937Mpa。過渡圓角處有較大集中應(yīng)力，故此處為最危險的地方，所以工作狀況應(yīng)主要考慮此處，在設(shè)計的方面也應(yīng)對此處進行加強，確保其能正常工作。C彈性應(yīng)變圖由于應(yīng)變是由應(yīng)力產(chǎn)生的，所以其圖形與應(yīng)力圖一樣，只是單位不同而已。D安全系數(shù)圖由圖可看出曲軸可正常工作，是安全的。4、 總結(jié)： 雖然課程設(shè)計的時間為兩個星期，但真正做的時間也不過四五天的樣子，其實這些天數(shù)足夠了，分組的課程設(shè)計業(yè)算是鍛煉大家的團隊配合吧，我主要是負責(zé)ansys分析的，對于這個軟件開始一點都不了解，自己看了三天的書然后在從網(wǎng)上找了一些教程，總算基本了解了其操作過程，由于軟件是全英文的，所以在使用時還是遇到了不少的困難，通過與同學(xué)的研究也收獲了不少。在分析之余，自己也用ug畫了一遍圖形，感覺最難的地方就是油孔和曲柄臂的切削。通過這幾天的課程設(shè)計，自己也收獲到了很多，有些事情是急不來的，只有慢慢摸索，對于ansys也了解了不少，感覺這個軟件真的很強大，也很有用處，以前用過fluent進行數(shù)值模擬