一種內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的早期計(jì)算及修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度計(jì)算和修正方法，特別是一種內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的早期 計(jì)算和修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 曲軸是內(nèi)燃機(jī)核屯、零部件之一，在燃?xì)饬蛻T性力的作用下，必須滿足一定的強(qiáng) 度要求。當(dāng)前曲軸設(shè)計(jì)過程中，一般都是在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中，曲軸3D模型確定后才能進(jìn)行 的基于有限單元法的強(qiáng)度校核。此時(shí)，很多關(guān)鍵尺寸已經(jīng)不能變更，如果曲軸存在強(qiáng)度問題 僅能通過修改一些局部尺寸進(jìn)行優(yōu)化，而運(yùn)種局部優(yōu)化只能解決一些小問題，無法解決在 曲軸概念設(shè)計(jì)過程中，由于布局、結(jié)構(gòu)形式等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來的強(qiáng)度問題，存在后期設(shè)計(jì)變更 的風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種可W及時(shí)修改曲軸總體結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免后期設(shè) 計(jì)變更的風(fēng)險(xiǎn)、提高曲軸穩(wěn)定性的內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的早期計(jì)算及修正方法。本發(fā)明的技術(shù) 方案如下：
[0004] 一種內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的早期計(jì)算及修正方法，其包括W下步驟：
[0005] 101、選取預(yù)先設(shè)定好了曲軸尺寸的內(nèi)燃機(jī)曲軸，對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸的曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算曲柄銷和活塞銷的加速度，具體包括W下步驟：建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 學(xué)分析坐標(biāo)系，W中間軸頸軸屯、處為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸正方向表示沿曲軸軸頸中屯、指向飛輪端 的方向，Z軸正方向表示沿中間軸頸中屯、豎直向上，Y軸正方向表示由排氣側(cè)指向進(jìn)氣側(cè)的 方向，曲軸旋轉(zhuǎn)方向遵循右手法則。起始位置W第一缸曲柄銷豎直向上起始；
[0006] 102、根據(jù)曲柄銷和活塞銷的加速度計(jì)算公式計(jì)算出第i個(gè)曲拐中曲柄銷和活塞 銷的在步驟101建立的分析坐標(biāo)系中的加速度；
[0007] 103、基于步驟101和步驟102計(jì)算得到的曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲柄銷和活塞銷的加速 度，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算第i個(gè)曲拐受力情況，將力分解到曲拐方向及曲拐垂直方向；
[0008] 104、根據(jù)曲軸尺寸，計(jì)算曲軸危險(xiǎn)截面屬性，包括重疊度U、有效厚度Ymax、有效 寬度H、曲柄臂截面面積和抗彎截面模量；
[0009] 105、根據(jù)曲軸動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)，計(jì)算曲軸危險(xiǎn)點(diǎn)安全系數(shù)，評(píng)估曲軸強(qiáng)度水平，選 取第m個(gè)曲拐的第2m-l曲柄臂進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，當(dāng)曲柄臂強(qiáng)度滿足預(yù)先設(shè)定的強(qiáng)度值時(shí)，貝U 不需要修正，否則回到步驟101修正曲軸的尺寸。
[0010] 進(jìn)一步的，步驟102中的計(jì)算曲柄銷和活塞銷的加速度公式為：曲柄銷的加速度： W11]WY_CP(i) = ?2 ?RC?sin(a+P(i)) 陽01引 WZ_CP(i) = -?2 ?RC?cos(a+P(i))
[0013] 活塞銷的加速度：
[0014] DDA(i) = - ?2 ?RC?sin( 5 (i)-a-P(i))
[0015]
[0016] 孤Y_P(i) =WY_CP(i)+LR?cos0 ?D0 (i)+LR?sin0 ?孤 0 (i)
[0017] WZ_P(i) =WZ_CP(i)-LR.sin0.D0 (i)+LR.cos0 ?孤 0 (i)，其中孤Y_CP(i) 表示曲柄銷的加速度在Y軸上的分量，DDZ_CP(i)表示曲柄銷的加速度在Y軸上的分量，CO 表示角加速度，RC表示曲軸旋轉(zhuǎn)半徑，P(i)表示連桿與汽缸軸線的夾角，a表示曲柄臂與 汽缸軸線的夾角，5 (i)表示活塞軸線與汽缸軸線的夾角，LR表示連桿長度。
[0018] 進(jìn)一步的，步驟103中計(jì)算第i個(gè)曲拐受力情況，將力分解到曲拐方向及曲拐垂直 方向包括:A1、計(jì)算作用于活塞的力；A2、計(jì)算活塞銷座受力；A3、計(jì)算連桿小端處受力；A3、 計(jì)算曲柄銷處受力；A4、計(jì)算曲軸主軸頸處受力，包括曲柄臂慣性力、配重慣性力、第一軸頸 受力、中間軸頸受力。
[0019] 進(jìn)一步的，步驟105計(jì)算曲軸危險(xiǎn)點(diǎn)安全系數(shù)，評(píng)估曲軸強(qiáng)度水平，選擇第m個(gè)曲 拐的第2m-l曲柄臂進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，包括W下步驟：B1、計(jì)算曲柄臂截面內(nèi)力和內(nèi)力矩；B2、 計(jì)算曲柄臂截面危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力巧3、計(jì)算名義彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；B4、計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)P巧4、 計(jì)算曲柄臂-主軸頸圓角處、鋼曲軸；B5、計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力WJDF;B6、計(jì)算安全系數(shù)FRF。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0021] 本發(fā)明提出了的曲軸強(qiáng)度分析方法主要解決在曲軸概念設(shè)計(jì)早期的強(qiáng)度問題，能 夠有效保證曲軸的概念設(shè)計(jì)中活塞銷座、連桿小端、曲柄銷、曲軸主軸頸等關(guān)鍵位置的強(qiáng)度 可靠性，避免在曲軸設(shè)計(jì)的后期，出現(xiàn)由于概念設(shè)計(jì)不合適而帶來的不可逆轉(zhuǎn)的曲軸強(qiáng)度 問題。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例建立發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析坐標(biāo)系示 意圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力簡圖；
[0025] 圖4是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例曲軸主軸頸受力示意圖； 陽0%] 圖5是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例曲柄臂截面內(nèi)力和內(nèi)力矩示意圖；
[0027] 圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] W下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0029] 1.曲軸受力分析
[0030] 輸入?yún)?shù)符號(hào)說明 陽0川 a-曲軸轉(zhuǎn)角 陽03引 Mi)-第i個(gè)氣缸的初始位置曲柄銷傾斜角
[0033] 5 (i)-第i個(gè)氣缸的中屯、線傾斜角
[0034] espl-活塞銷偏屯、位移
[0035] esp2-曲軸偏屯、位移
[0036] NRPM-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
[0037] LR、化一連桿長度 陽0測 RC-曲軸半徑
[0039]CPP(i)-第i個(gè)氣缸中屯、的軸向坐標(biāo)位置 W40]MBP(j)--第j個(gè)曲軸主軸頸中屯、的軸向坐標(biāo)位置
[0041] MWEB化)一第k個(gè)曲柄臂質(zhì)量 陽0創(chuàng) RWEB似一第k個(gè)曲柄臂重屯、半徑 陽0創(chuàng) DEGWEB似--第k個(gè)曲柄臂重屯、的角度（順時(shí)針為正）
[0044] 肥BP化)--第k個(gè)曲柄臂軸向坐標(biāo)位置
[0045] MCW化)一第k個(gè)配重質(zhì)量
[0046] RCW似一第k個(gè)配重重屯、半徑
[0047] DEGCW(k)--第k個(gè)配重重屯、的角度（順時(shí)針為正）
[0048] CWP(k)--第k個(gè)配重軸向坐標(biāo)位置 !；00例prshiftW-點(diǎn)火間隔角 陽化0]DP--活塞直徑陽05UMP-活塞質(zhì)量 陽05引 MPP-活塞銷質(zhì)量
[0053] MR-連桿總質(zhì)量
[0054] RLA--連桿重屯、到連桿大端中屯、的距離
[0055] MRB--連桿大端等效質(zhì)量
[0056] MRS-連桿小端等效質(zhì)量
[0057] MCPa)-曲柄銷質(zhì)量
[0058] P(i) -氣體作用力
[0059] DCPO(i)-曲柄銷外徑直徑 W60] DCPIa)-曲柄銷內(nèi)徑直徑 陽06ULCPQ)-曲柄銷長度 W62] P-曲軸材料密度 陽06引 DMJ0 (m)-主軸頸外徑直徑 W64] Rj-主軸頸圓角半徑 陽0化]化一曲柄銷圓角半徑
[0066] T(m)-曲柄臂厚度
[0067] W(m)-曲柄臂寬度 W側(cè) Doil-曲柄銷油孔直徑 W例 5j--軸頸圓角深入曲柄的量
[0070] 0b-曲軸材料抗拉強(qiáng)度
[0071] 0-油孔相對(duì)于曲拐平面的位置角
[0072] F0 -1-倒角處疲勞強(qiáng)度曲軸表面強(qiáng)化方法曲拐數(shù) 陽073] 發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)的定義 陽074] 如圖1所示，坐標(biāo)原點(diǎn)為中間軸頸軸屯、處，X軸一沿曲軸軸頸中屯、指向飛輪端，Z 軸一沿中間軸頸中屯、豎直向上，Y軸一由排氣側(cè)指向進(jìn)氣側(cè)。曲軸旋轉(zhuǎn)方向遵循右手法則。 起始位置W第一缸曲柄銷豎直向上起始。 陽0巧]曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)
[0076] 圖2曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖
[0077] (1)曲柄銷坐標(biāo)
[0078] Y-CP(i) =-RC? sin ( a + Mi))
[0079] Z_CP(i)=RC? cos(曰+Mi))
[0080]其中：
[0081] 曰=o ? t
[0082]
[0083] (2)活塞銷坐標(biāo)
[0084] A (i) = RC ? sin ( 5 (；L) - a - P (i)) +esp化espl
[00化] 0(i) = arccos (A/LR) -5(i)
[0086]Y_P(i) = Y_CP(i)-LR?cos0
[0087]Z_P(i) = Z_CPa)+LR?sin0 陽0蝴其中，espl指活塞銷偏離氣缸中屯、線的距離，偏向次推力側(cè)為正；
[0089]esp2指氣缸中屯、線偏離曲軸軸線的距離，偏向次推力側(cè)為正。
[0090] 做曲柄銷的速度 W91] DY_CP (i) = - ? ? RC ? cos ( a + P (i))
[0092] DZ-CP(i) = - ? ?RC?sin(曰 +Mi)) 陽〇9引 （4)活塞銷的速度
[0094] DA(i) = - ? ?RC?cos( 5 (i) -a-P(i)) 陽0巧]
[0096]DY_P(i) =DY_CP(i)+LR?sin0 ? D0 (i)
[0097]DZ_P(i) =DZ_CP(i)+LR?cos0 ? D0 (i) 陽〇9引 （5)曲柄銷的加速度
[0099] WY_CP (i) = ?2 ? RC . sin(曰+ P (i)) 陽100] WZ_CP(i) = - ?2 ? RC ? cos(a + P (i)) 陽101] (6)活塞銷的加速度 陽 10引DDA(i) =-?2 ?RC?sin( 5 (i)-a- P(i)) 陽103]
陽104] WY_P(i) = WY_CP(i)+LR?cos 0 ?D0(i)+LR? sin0 ?孤0 (i) 陽105] WZ_P(i) = WZ_CP(i)-LR?sin 0 ?D0(i)+LR? cos0 ?孤0 (i) 陽1〇6] 曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 陽107]圖3曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力簡圖
[0108] 作為曲拐強(qiáng)度計(jì)算，受力分析應(yīng)該將力分解到曲拐方向及曲拐垂直方向，在理工 大學(xué)原有受力分析的基礎(chǔ)上，建立曲拐的子坐標(biāo)系，將力按照子坐標(biāo)系分解，參數(shù)名也做了 相應(yīng)的更改。 陽1〇9] (1)作用于活塞的力 陽110]
[0111] FPZa) = FP(i) ? cos 5 (i) 陽112] FPY(i) = -FP(i) ? sin 5 (i)
[0113] SUBFPZ(i) = FPZ(i)cos(a+p (i))-FPY(i)sin(a+p (i)) 陽114] SUBFPY(i) = FPZ(i)sin(a+p (i)+FPY(i)cos(a+p (i))
[0115] (2)活塞銷座受力
[0116] FPBZ (i) = MP ?孤Z_P (i) +FPZ (i)
[0117] FPBY (i) = -MP ?孤Y_P (i) +FPY似 陽11引SUBFPBZ(i) = FPBZ(i)cos(a+p (i))-FPBY(i)sin(a+p (i)) 陽119] SUBFPBY(i) = FPBZ(i)sin(a