（机械电子工程专业论文）汽车曲轴圆角冷滚压钳口压力波动分析及研究.pdf

武汉瑾王夫学硕士学霞论文 摘要 汽车发动机曲轴怒汽车动力裟嚣的核心零件之一，其制造质量要求很商。发 动机工作时，每一个工作行程都存在很大交变载赫通过活塞、滤杆组件作用其上， 镬荬承受反复懿淫毒鬣蘅。这些交嶷载蓊在鏊毒l l l 鹣各个部盛产生弯蘸、整转等复 杂的交变应力，极易猩存在应力集中的圆角处产生疲劳断裂，通常采取强化措施 加以解决。通过对曲轴进行圆角滚愿强化，不仅可以改善曲轴性能，提高抗疲劳变 形髓力，还买有残本骶、效率毫弱强话效采显著瓣优点。西藏麴辍嚣蕉滚簇工艺、 设备及熊相关技术的研究己成为当前发展汽车业特别是轿车工业必不可少的 关键技术之一。 本文建立了镑翻部分静运动学及动力学簿纯模鎏，莠运惩键口音i 分豹麓纯摸 型，建立了模型的运幼学及动力学方程，求解出了钳口处由于夹钳的惯性力产生 的压力波动的具体情况。为今后采用液压控制阀对钳口压力贸杼提前的调节，以 精确豹羧锘l 镥鼙基力，镬锯日莲力平均，登辘缓t 豹残余瘦为平均，戳提菇滚愿 加工质缀。建立了曲轴圆角滚压强化的当量圆柱力学模型，推导了曲轴和滚压刀 具结构参数、滚压刀具配置情况以及材料性能参数的极限滚滕戏荷的计算公式， 提窭了藏辘滚歪强豫豹翔鼗原噩| j 翱掇限滚压载耱瓣确定方法。为篷辘藩煮滚压工 艺参数的合理确定提供了依据，有锄于改善和避免单纯试验逸参法所具有的局限 性和官瓣性。 关键字：魏轴麓 二模墅滚莲力警曩圆柱力学模型残余反力 2 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o t o rc a re n g i n ec r a n ki so n eo fa u t o m o b i l ep o w e ru n i t c o r e c o m p o n e n t s ， i t sm a n u f a c t u r eq u a l i t yr e q u i r e m e n ti sv e r yh i g h w h e nt h e e n g i n ew o r k s ，e a c hp o w e rs t r o k ea l lh a st h ev e r yb i ga l t e r n a t i n gl e a d t h r o u g ht h ep i s t o n ，a b o v et h ec o n n e c t i n gr o dm o d u l ef u n c t i o n ，c a u s e si t s w it h s t a n d i n gr e p e a t e d l yi m p a c tl o a d t h e s ea lt e r n a ti n gl o a d sm a k et h e r e v e r s ec u r v i n gi nc r a n ke a c hs p o ta n ds oo nt h ec o m p l e xa l t e r n a t es t r e s s e s e x t r e m e l ye a s i l yh a st h e e n d u r a n c ef a i l u r ei nt h ee x i s t e n c es t r e s s c o n c e n t r a t i o nf i l l e tp l a c e ，u s u a l l yt a k e st h es t r e n g t h e n e dm e a s u r et o p e r f o r mt os o l v e t h r o u g hc a r r i e so nt h ef i l l e tt ot h ec r a n kt or o l l i n g t h es t r e n g t h e n i n g ，n o to n l ym a yi m p r o v et h ec r a n kp e r f o r m a n c e ，s h a r p e n s t h ea n t i - w e a r yd i s t o r t i o na b i l i t y ，a l s oh a st h ec o s tl o w ，t h ee f f i c i e n c y i sh i g ha n dt h es t r e n g t h e n e de f f e c tr e m a r k a b l em e r i t t h e r e f o r et h ec r a n k f i l l e tr o l l i n g st h ec r a f t ，t h ee q u i p m e n ta n di t s t h ec o r r e l a t i o n t e c h n o l o g y r e s e a r c hh a sb e c o m et h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta u t o m o b i l e i n d u s t r yi s o n eo f s p e c i a l l yp a s s e n g e r v e h i c l ei n d u s t r ye s s e n t i a l e s s e n t i a lt e c h n o l o g i e s t h i sa r t i c l eh a se s t a b l i s h e dt h em o u t ho ft h et o n g sp a r t i a lk i n e m a t i c s a n dd y n a m i c ss i m p l i f i c a t i o nm o d e l ，a n du s i n gt h em o u t ho ft h et o n g s p a r t i a ls i m p l i f i c a t i o n sm o d e l ，h a se s t a b l i s h e dt h em o d e lk i n e m a t i c sa n d t h ed y n a m i ce q u a t i o n ，s o l v e dt h em o u t ho ft h et o n g sp l a c eb e c a u s et h ec l a m p r e s u l t e di nt h ef o r c eo fi n e r t i at oh a v et h ef l u c t u a t i o no fp r e s s u r e s p e c i a ld e t a i l s w i l lu s et h eh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v em o u t ho ft h et o n g s p r e s s u r ei m p l e m e n t a t i o na h e a do ft i m ea d j u s t m e n tf o ru s ，w i l lb ep r e c i s e t h ec o n t r o lm o u t ho ft h et o n g sp r e s s u r e ，b yw iilc a u s et h em o u t ho ft h e t o n g sp r e s s u r ea v e r a g e ，w i l lc a u s eo nt h em a i nj o u r n a lt h er e m a i n i n g s t r e s s a v e r a g e ，b yw i l l e n h a n c e r o l l i n g s t h e p r o c e s s i n gq u a l i t y e s t a b l i s h e dt h ec r a n kf i l l e tt or o l l i n gs t r e n g t h e n e dt h ee q u i v a l e n t c o l u m nm e c h a n i c sm o d e l ，i n f e r r e dh a sc a l c u l a t e dt h ec r a n ka n dr o l l i n g s 3 武汉理工人学硕+ 学位论文 t h ec u t t i n gt o o ld e s i g np a r a m e t e r ，r o l l i n g st h ec u t t i n gt o o ld is p o s i t i o n s i t u a t i o na sw e l la st h em a t e r i a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rl i m i tr 0 1 l i n g s t h el o a dt h ef o r m u l a ，p r o p o s e dt h ec r a n kr o l l i n g e ds t r e n g t h e n e dt h e i n c r e a s ep r i n c i p l ea n dt h e1 i m i tr o l l i n g st h el o a dt h ed e f i n i t em e t h o d r o l l i n g e dt h ec r a f tp a r a m e t e rf o r t h ec r a n kf i l l e tt h er e a s o n a b l e d e t e r m i n a t i o nt op r o v i d et h eb a s i s w a sh e l p f u li ni m p r o v i n ga n da v o i d s p u r e l ye x p e r i m e n t i n gc h o o s e st h e1 i m i t a t i o na n db l i n d n e s sw h i c ht h e s e n a t e a wh a d k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ，s i m p l i f i e sm o d e l ，r o l lp r e s s u r e ，e q u i v a l e n tc o l u m n m e c h a n i c sm o d e l ，r e m a i n i n gs t r e s s 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 曲轴( 如图i - i 所示) 是内燃机的主要零件之一，在工作过程中将活塞连杆的 往复运动变为旋转运动。气缸的气体爆发压力作用在活塞上，使曲轴承受冲击和 交变扭转，因此曲轴的工作是繁重的，它承受很大的弯曲应力和扭转应力，同时 受到扭转振动和附件应力的作用，受力情况非常复杂。此外，发动机传动功率不 断提高，不断增压，不断扩缸，日益强化来提高功率，曲轴各轴颈要在很高的压 力下高速转动，所以要求曲轴有很高的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性以及 冲击韧性。曲轴的主要失效形式是轴颈磨损和疲劳断裂。 图( i - i ) 汽车曲轴示意图 由于曲轴恶劣的工况条件，必须对曲轴进行强化处理。目前国内外曲轴常见 的强化工艺大致有以下5 种： ( 1 )氮化：曲轴氮化包括气体软氮化、离子氮化和盐浴氮化等。氮化能提 高曲轴疲劳强度的2 0 6 0 9 6 ，适用于各类曲轴。 ( 2 )喷丸：曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度2 0 4 0 ，但因喷丸时须保 护轴颈表面，故采用较少。 ( 3 ) 圆角与轴颈同时感应淬火；该强化方式应用于球铁曲轴时，能提高疲 7 武汉理工大学硕士学位论文 劳强度2 0 ，而应用于钢轴时，则能提高1 0 0 以上，故在钢轴中应用 比较普遍。 ( 4 )圆角滚压：由于国内只有少数厂家实现了曲轴圆角滚压强化工艺。根 据统计资料，球铁曲轴经圆角滚压后寿命可提高1 2 0 3 0 0 ，钢轴经 圆角滚压后寿命可提高7 0 1 5 0 。 ( 5 )复合强化：就是应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，例如曲轴圆 角滚压加轴颈淬火等。 根据以上叙述，可见圆角滚压对提高曲轴疲劳强度有显著作用，备受各曲轴 生产厂家的青睐。目前，汽车曲轴以及工程机械用发动机曲轴越来越多地采用圆 角滚压强化工艺，国外曲轴几乎全部采用圆角滚压工艺。曲轴圆角滚压强化工艺 己成为提高产品竞争力的重要手段。 1 2 研究现状分析 曲轴圆角滚压技术是2 0 世纪7 0 至8 0 年代发展的一种新技术。据统计，国 外经过圆角滚压的发动机曲轴在整个曲轴中所占的比例已从七十年代的5 0 提 高到现在的8 0 以上，而轿车发动机曲轴则几乎无一例外的采用圆角滚压工艺 进行强化，因此，瞌轴圆角滚压工艺，设备及其相关的技术的研究已经成为当前 发展汽车工业，特别是轿车工业必不可少的关键技术之一。 目前国内曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程 度相对较低。粗加工设备多采用多刀车床车削曲轴主轴颈及拐颈，工序的质量稳 定性差，容易产生较大的内应力，难以达到合理的加工余量。一般精加工采用 m q 8 2 6 0 等曲轴磨床粗磨一半精磨一精磨一抛光，通常靠手工操作，加工质量不稳定。 随着贸易全球化的到来，各厂家己意识到了形势的严峻性，纷纷进行技术 改造，全力提升企业的竞争力，近年来引进了许多先进设备和技术，进展速度很 快。就目前状况来讲，这些设备和技术基本依赖进口。 据国外资料介绍，球墨铸铁曲轴采用圆角滚压工艺与离子氮化结合使用进行 复合强化，可使整条曲轴的抗疲劳强度提高1 3 0 以上。可见曲轴进行滚压强化 是提高曲轴疲劳强度的主要途径，使之广泛的运用于曲轴加工是必然的趋势。但 在国内，仅仅有少数厂家进行这方面的实践。不过，也有一些厂家在这方面的研 8 武汉理_ _ ：l = 大学硕士学位论文 究有了一定的成果，如：东风汽车有限公司工艺研究所的“曲轴圆角滚压强化与 滚压校直技术研究开发及应用”解决了国内企业花巨资引进国外技术的问题，该 课题获得了原国家机械工业局科技进步二等奖。 在曲轴圆角滚压加工方面，德国赫根塞特( h e g e n s c h e i d t m f da u t o m a t i c ) 生产的机床应用了变压力滚压和矫正专利技术，是比较好的圆角滚压设备，但价 格昂贵。因此，加强在曲轴圆角滚压机床方面的研究对我国汽车行业的发展有着 重要的意义。 目前，已经由武汉理工大学、东风汽车公司工艺研究所、青海第二机床厂 等单位共同合作研制的q h 一0 4 0 全自动曲轴圆角冷滚压校直机床( 如图1 - 2 ) ， 集机械、电子、液压、计算机、专家系统等于一体，是一种能够将圆角滚压 强化、曲轴不直度测量和滚压校直三道工序和而为一的柔性智能加工设备。 首先对工件进行圆角滚压强化，然后通过在线检测，获得曲轴的变形规律， 再针对被校直工件变形的具体情况，在计算机专家系统的指导下，用适当的 压力对工件的某些部位( 圆角处) 进行滚压，使工件产生与原变形方向相反 的变形，从而达到校直的目的。采用这种工艺，不仅提高了生产效率，而且 使工件的被校直部位得到强化，提高了曲轴的整体强度和可靠性，使其整机 的性能可与进口的同类机床相比，而其造价仅仅只有进口设备的五分之一， 填补了我国这方面的空白，达到了国际先进水平。 图( 卜2 ) q h 一0 4 0 全自动曲轴圆角冷滚压校直机床 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 q h 一0 4 0 全自动曲轴圆角冷滚压校直机床简介： 本机床是为各种精加工后的曲轴的圆角进行滚压，提高其疲劳强度，并在滚 压后自动测量曲轴的主轴径的不直线度，若曲轴在滚压后发生变形，则自动进行 校直滚压的机床。 2 q h 一0 4 0 全自动曲轴圆角冷滚压校直机床工作情况简介： 整机由二个工作滑台同时进行滚压，每个工作滑台上由一个主轴颈滚压头和 一个连杆颈滚压头组成，每个滚压头上的压力传感器及比例阀组成的闭环分别控 制，压力控制的精度很高。工件由曲柄两端的中心孔定位，自动夹紧。滚压完毕 后机床自动测量曲轴主轴颈的直线度，若测量超差，机床中的专家系统指挥机床 在曲轴的不同部位，施加不同的压力，对机床进行继续滚压，将曲轴滚直，达到 产品的要求。校直的专家系统有自学习的功能，能将今后生产过程中成功校直的 案例，充实到专家系统的知识库中去，提高校直概率。整个生产过程除上、下料 外全自动进行。首台型号的曲轴，工作前可由人工进行示教，即由操作人员控制 机器对工件进行加工，以后机器能自动记忆整个循环的过程，对该型号曲轴进行 自动大批加工。 3 q h 一0 4 0 全自动曲轴圆角冷滚压校直机床加工范围及机床性能指标： 1 曲轴中心孔为加工定位基准。 2 主、连杆颈最大加工直径1 3 0 毫米。 3 主、连杆颈最大加工轴径宽度5 0 毫米。 4 曲轴最大加工长度1 3 0 0 毫米。 5 加工连杆数1 - 6 根。 6 主轴心中心截面至连杆颈中心截面最小间距5 2 毫米( 可按客户要求再缩 小) 。 7 最大曲柄半径8 0 毫米。 8 机床主轴转速3 一1 5 0 0 转分；无级可调。 9 滚压夹钳夹紧力o 一5 0 0 0 公斤；无级可调。 l o 主轴直线度测量分辨率0 。0 0 2 毫米；测量精度0 。0 1 毫米；测量角度 误差+ 一2 。 1 1 产效率( 以四连杆曲轴为例，当不需要校直时) ，小于3 分钟根。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本论文研究的主要内容 本文主要针对曲轴圆角滚压机钳口部分做了一部分基础研究，为减少钳口压 力波动，改善曲轴的滚压质量提供了依据，并对钳口滚压力的大小的选取进行了 研究。所作主要工作如下： 1 建立钳口部分的运动学及动力学简化模型，并运用钳口部分的简化模型，建 立了模型的运动学及动力学方程，求解出了钳口处由于夹钳的惯性力产生的 压力波动的具体情况。为采用液压控制阀对钳口压力实行提前的调节，精确 的控制钳口压力，使钳口压力波动减小，曲轴颈上的残余应力均匀，以提高 滚压加工质量。 2 建立曲轴圆角滚压强化的当量圆柱力学模型，推导了曲轴和滚压刀具结构参 数、滚压刀具配置情况以及材料性能参数的极限滚压载荷的计算公式，提出 了曲轴滚压强化的加载原则和极限滚压载荷的确定方法。为曲轴圆角滚压工 艺参数的合理确定提供了依据，有助于改善和避免单纯试验选参法所具有的 局限性和盲目性。 武汉淫。j ：大学硬学挺论文 第二章蓝轴圆焦滚箧机基本工作原理及阁题豹提出 2 。l曲轴圆角滚压强化枧理 2 1 1 虢轴疲劳断裂的原因 曲轴在发动机中工作时承受很大的弯曲应力和扭转应力。如图( 2 - 1 ) 所示， 汽躯戆爆发篷力p 瑶这9 m pa ，农灌嚣壅发凌辍中可这1 2 1 4 m pa ，瞧弱两 内侧圆缃过渡处表现为拉应力，土轴圆角过渡处则为压应力：禺外，曲轴述承受惯 性力矩( 祷轴颈圆角过渡处受力情况与上相反) 、输出扭矩及掇振力矩，受力情况 卡分复杂。 圈( 2 1 ) 连杆颈受爆发压力时的疲力分布 蘧辘在工终孛承受交交载蓠，黼楚过渡楚赉予应力集孛静派困藩予薄弱环节， 尤其是主轴颈和连秆颈的过渡处置为严重。轴颈缀过磨削加工后留下的刀痕引起 的应力集中，在长时间的循环后便会产生裂纹，最终发生疲劳断裂。 2 1 2 曲轴圆角滚骶强化机理 如戮( 2 1 ) 所示，魑辘的匿建滚压，就是利用滚轮的匿力露藤，在益毒虫耱主辘 颈和连秆颈过渡凰角处形成一条滚压塑性变形带。这条塑觳变形带具有以下特 武汉理工大学硕士学位论文 点： 1 产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提 高疲劳强度。 2 硬度提高。滚压使圆角处形成高硬度的致密层，使曲轴的机械强度和疲劳 强度得到提高。 3 表面粗糙度值减小。圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到rao 1um 以下， 从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。 2 2 曲轴圆角滚压强化工艺过程 曲轴圆角滚压强化工艺过程包括以下三方面的内容。 1 曲轴圆角滚压这一过程是利用滚压钳上的滚轮分别对曲轴主轴颈和连 杆颈处圆角进行滚压，在曲轴圆角滚压机上进行。在滚压过程中，由伺服传动系统 控制曲轴旋转的转速和旋转角度，同时由滚压钳压力控制系统控制滚压过程的压 力负载，对每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。 2 曲轴弯曲变形测量这一过程是在由液压机检测系统进行检套，首先检测 曲轴的弯曲变形数据即弯曲度的大小和相位方向，然后由专家系统数据库对摆差 数据进行分析处理并给出校直方案，即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压 方案。 3 曲轴滚压校直这一过程在曲轴圆角滚压机上进行，利用曲轴弯曲变形测 量机上给出的再施压方案，滚压某一个或几个特定的主轴颈或连杆颈。滚压完成 后，再上曲轴弯曲变形测量机上测量，直到达到工艺要求为止。 2 3 常见的曲轴圆角滚压类型 根据安排滚压工序和网角形式的不同，曲轴圆角滚压大致可分为以下三种类 型： 1 切线滚压如图( 2 2 ) 所示，切线滚压就是在精磨主轴颈和连杆颈时用砂 轮磨出与滚轮半径大小相同的圆角( 偏差不大于0 0 8 m 1 2 3 ) 进行滚压。切线滚压 容易在轴颈表面和侧表面挤出一线凸台，需在后续工序中进行：另外，在轴颈感应 淬火后进行滚压，容易引起较大的弯曲变形，需进行滚压校直处理。 1 3 武汉毽二大学硕士擎饺论文 2 半精加工后滚压半精加工后滚压就是在曲轴精磨成形之前进行滚压强 纯，这襻可避免滚墨藤套，毽在后续王彦中将塑瞧变形繁蘑去一部分，大大洌弱了 滚压强化效果，故目前很少采用。 3 圆角沉割滚压如图( 2 2 ) 所示，圆角沉割滚压就是狂过渡圆角处沉割出 与滚轮半径大小程强熬瑟焦( 偏差不大予0 。0 8 m m ) 述嚣滚簇。嚣建淀割滚压瀵 除了以上两种滚压方法存在的不慰，另外圆角沉割还可以便成力分散。目前国外 发动机曲轴几乎全部采用圆角沉割滚压方法。 2 4 邃轴蹑角滚压工艺参数对疲劳强度的影噙 1 滚压力f 的影响 由于国内在这方面的研究较少，目前还没有成熟的数据， 露在生产中通过工艺试验来确定最馕滚压力f 。滚压力的大小与互辞材瓣、辘颞 大，j 、蹒角大小、滚轮蠹径等因素有关。 2 滚压次数( 圈数)滚压次数较少时，达不到应有的塑性变形：次数过多时， 容易破鼹塑性变形带。在生产中，瞻滚压8 l o 瓣蠢佳。 鱼滚篷速度n ：滚压速度过快，容易雩| 起较大的塑性变形：滚压速度过慢，生 产效率降低。实际生产中可选择曲轴转速为3 0 6 0r mir l 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 滚压变形的影响因素 1 铸造应力的影响如果球铁曲轴铸造经热处理后仍存在较大的铸造应力， 那么经圆角滚压后应力将重新分布，这样就势必造成较大的滚压弯曲变形：锻钢 曲轴如果存在较大的锻造应力，也会造成滚压变形。 2 加工应力的影响如果在粗加工阶段采用sl - - 2 0 6 、sl - - 2 1 7 等多刀曲轴 车床切削曲轴主轴颈和连杆颈，将产生较大的加工应力，滚压后就会产生较大的 弯曲变形，可在曲轴粗加工后进行一次去应力回火处理消除加工应力：若采用盐 轴内铣床铣削曲轴主轴颈和连杆颈，则加工应力将大大减小。 3 其他因素影响圆角成形性、深浅一致性、档宽公差大小和毛坯缺陷等对 滚压变形都有较大影响。 2 6 滚压质量检查 1 曲轴圆角滚压是曲轴加工中的关键工艺，属特种工艺。滚压时间长短、各 参数大小等对滚压结果有很大的影响，但仅凭滚压外观很难看出有什么区别。因 此除要求检查人员有丰富的经验外，还要特别细心。 2 在滚压前仔细检查圆角的大小、成形性、深浅致性、表面粗糙度等是否 符合工艺要求，检查第一主轴颈长短是否符合工艺要求。 3 滚压时检查各工艺参数是否正常。 4 滚压结束后，检查滚压表面粗糙度是否合格，表面过粗时则检查滚压轮是 否正常转动。 2 7 滚压机床和圆角强化系统 2 7 1 滚压机床 1 整体式圆角滚压机床属专用机床，可同时滚压多个轴颈圆角，效率较高。 目前国内尚无厂家生产。 2 全自动滚压机床该机床带自动校直，适用于发动机厂家应用。 3 单拐滚压机床该机床适用于曲轴专业生产厂家，品种变换频繁，调整比 较方便。 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 2 圆角滚压强化系统 曲轴圆角滚压强化共设置三台滚压机和一台曲轴弯曲变形测量机。滚压机滚 压装置如图( 2 3 ) 所示，主要由支撑架2 、滚压钳l 、加压油缸4 等零部件构成。 曲轴的旋转运动由车床主轴驱动，尾部用顶尖顶住曲轴中心孔。滚压时，将滚压钳 上压头送至轴颈处，然后开启夹紧、工作按钮，机床就会自动完成在一定压力、一 定转速、一定时间下的滚压过程。 测量时，由驱动机构将曲轴送至测试位，使传感器和各主轴颈接触，从而判断 曲轴滚压后的弯曲变形情况。测量机内设有滚校专家系统数据库，能直接给出校 直方案。 1 百2 i ， f 3 爿 参 奄 n 卜蒗压钳，2 _ 吊絮，弘滚压宪，4 一加压油缸 图( 2 3 ) 滚压机结构简图 2 8 问题的提出 为了检测曲轴圆角滚压机钳口压力的变化，在图四的加压油缸处加装了一压 力传感器，以检测钳口压力的实时波动情况。 在预紧力为1 0 0 0 0 牛顿，曲轴转速为3 0 转分钟，对曲轴转动一周，钳口压 力的波动情况做详细的记录，结果如表： 武汉毽。 ：大学硬士学位论文 0 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 。 9 5 6 01 0 0 5 4 1 0 6 1 71 0 6 3 41 0 9 9 21 1 4 3 5 6 0 。7 0 。8 0 09 0 0t 0 0 0 1 1 0 。 1 1 6 2 31 1 7 4 21 1 9 6 41 2 0 8 31 1 9 8 11 2 l o o 1 2 0 8 1 3 0 。1 4 0 。1 5 0 81 6 0 。 1 7 0 。 1 2 0 3 11 1 9 8 l 1 2 0 3 11 1 9 6 41 1 8 1 01 1 8 6 l 1 8 0 01 9 妒2 0 0 02 10 02 2 0 0 2 3 0 0 1 1 6 4 0l i ? 鼹 1 1 8 l o1 1 6 5 71 1 7 0 81 1 6 7 4 2 4 0 02 5 0 0 2 6 0 02 7 0 02 8 0 02 9 0 0 1 1 8 2 71 1 8 7 81 1 8 9 61 1 8 6 11 2 0 4 9 1 2 0 6 6 ，3 0 萨 3 l 秽3 2 0 。3 3 妒3 4 0 。 3 5 。 m 1 1 9 3 0 1 1 8 9 61 1 8 9 61 1 7 7 61 1 6 5 7 1 1 4 1 8 0 0 时曲轴所在位爨如图( 2 4 ) 所示： 可叛蕾鑫：键露疆力m a x = 1 2 1 0 0 n ，m i n - - g s 6 0 n 。 压力波动范围为：2 5 4 0 n 左瓣。 匿( 2 - 4 ) 0 0 时盐辘所在位受 出予钳霜处存在聪力波动，使派力控翻的精度降低，麴轴被滚压处的残余应 力分布不均匀，影响了滚压加工的质詹。 分掇菇原霆可能为： 1 魏轴匿角滚篷枫夹镭惯性力斑大，产生钳翻处的压力波动。 2 实测的数据是计算机通过对压力传感器力采集后，对液压控制阀采用p i d 控粼蘑采集的数掇，有控制系绞的于预约影响。 3 其他方面的影响。 武汉理工大学硕士学位论文 初步估计：夹钳的惯性力是影响滚压质量的主要原因之一，为了提高滚压加 工的质量，可以采用以下方法稳定滚压力： 1 通过精确的计算，算出在每个位置惯性力的大小，从而通过调整不同位置 夹紧力的大小，使曲轴的圆角滚压力均匀。 2 通过重新设计夹钳的结构，使得产生的惯性力对钳口力的影响尽可能的 小，来提高滚压加工的质量。 因此，由上面的分析可以看出，要对曲轴圆角滚压机的夹钳部分进行动力学 建模，以了解夹钳的质量对钳口处压力波动情况的影响。 2 9 本章小结 在这一章中，我们介绍了曲轴圆角滚压的几种基本形式，以及曲轴圆角滚压 加工的基本方法，对曲轴圆角滚压加工有了基本的了解。并提出了曲轴圆角滚压 中钳口压力存在波动，简单的分析了其产生的原因。以及消除压力波动的几点建 议。对下面进行钳口部分的运动学及动力学建模，钳口压力波动的求解有一定的 指导作用。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 第三章夹钳部分运动学及动力学分析 对曲轴圆角滚压机夹钳部分进行动力学分析，首先要了解曲轴圆角滚压机钳 口部分结构特点。以及钳口部分受力情况。 滚压机钳口及滚压轮组成如图( 3 1 ) 所示，由于连杆在平面中运动的影响， 使滚轮和托轮在一定角度n 内变化。由于滚轮的挤压影响加工质量，即滚轮和曲 轴径向方向上的力起作用，为简化起见，认为其轴的中心的受力即为滚压接触点 上的受力。 轮 图( 3 - 1 ) 滚压机钳口及滚压轮组成 在进行动力学分析前，需要建立计算模型，就是把实际的旋转机械抽象化， 得到一个能反映原来旋转机械的动力学特性，而且适宜于计算分析的力学系统。 建立合理的计算模型要考虑如下三个方面： 1 反应实际机械的结构和工作情况： 2 明确所要分析的力学问题。 3 要适应现有的计算方法和计算工具。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 建立简化计算模型的基本原则 1 、依据机构本身的结构特点，抓住最本质的特征，忽略一些细微部分，抽 取出最能反映该机构结构特性的简单模型，如曲轴以及吊架的弹性： 2 、依据具体问题的精度要求，抓住最主要的影响因素，忽略一些次要的影 响因素，得到既满足精度要求又易于计算的模型，如忽略阻尼的影响等： 3 、依据所使用的计算方法和计算工具，结合对计算结果时间要求，决定对 力学模型的简化程度。 建立一个合理的简化力学模型非常重要，力学模型过于简单，所求得的钳口 压力误差太大，将不能直接应用到工程实践；力学模型过于复杂，又会使计算工 作十分繁杂冗长，以致贻误工期或提高费用。有时，力学模型并不是一次就建立 好的，须根据计算结果进行分析改进，以逐步逼近实际结构特性。 3 2 夹钳钳口部分的简化模型 建立近似模型有不同的思路，但都是变无限为有限，将无限多自由度系统( 连 续系统) 离散化为有限个自由度系统( 离散系统) 。连续系统模型的离散化方法主 要有两类：集中参数法和有限单元法。 矗 图( 3 - 2 ) 滚压机夹钳的简化力学模型 2 0 武汉理丁大学硕士学位论文 有的机械系统某些构件有较大的惯性和刚度：而另外一些构件惯性较小，柔度 较大。我们就把第一类构件的弹性忽略而视为质量块，把第二类构件的惯性忽略 而视为无质量的弹簧。 通过上面的分析，由于曲轴以及吊架的刚性比较大，因此，忽略曲轴以及吊 架的弹性，把它们看作为连续的钢体。滚压机的夹钳由于质量比较大，把它看作 为一个钢体上的质量块。具体简化如图( 3 2 ) ； 图中p 点表示滚压机夹钳质心位置，a 表示滚压机夹钳质心到曲轴滚压受力 点的水平距离，b 表示滚压机夹钳到杆2 的垂直距离。 在把滚压机夹钳模型简化后，可以看出，其构成了一个四杆机构的结构，因 此，要分析钳口压力的波动情况，即图( 3 - 2 ) 中杆1 与杆2 铰接处，由于质量 p 引起的受力的变化情况。就必须分析四杆机构各部分的受力情况以及受力的方 向。可以通过分析四杆机构的方式来分析各杆的受力情况。 3 3 夹钳钳口部分运动学及动力学分析 机构的运动学和动力学分析可以分为图解法和解析发，图解法繁琐、精度低， 很难作为分析和设计的手段；解析法随着计算机的发展和普及，计算机在机构分 析和设计中得到了越来越广泛的应用。 机构的运动学和动力学计算辅助分析的首要问题是建立数学模型，在上一节 中，已经建立了曲轴圆角滚压机钳口的简化模型要对其进行运动学和动力学分 析就要借助于模型建立各种方程 3 3 1 计算机机构分析的规定 1 坐标方向的设定 用解析方法建立运动学和动力学方程，首先要建立坐标系，确定坐标方向。 坐标系有：右手坐标系和左手坐标系两种，目前使用较为广泛的是右手坐标系。 在三角函数中，角度和各三角函数之间的关系都是用右手坐标系建立的，运动学 和动力学各矢量的艉析形式也是根据右手坐标系判定其正负方向。如果建立左手 坐标系就会与三角函数、运动学及动力学的规律不同，给建立机构运动学和动力 学方程带来困难和麻烦。特别是在对较为复杂的机构的分析，往往出现正负号的 错误。对于平面问题，右手坐标系是以x 轴逆时针转动9 0 度为y 轴方向，角位 武汉理工人学硕士学位论文 移、角速度、角加速度以及力偶矩均以逆时针转动方向为正向。 2 方程中角位移的设定 在建立运动学和动力学方程时，角位移的设置一定以x 轴为始边，逆时针方 向为正，反之为负。通常以两铰链点连线作为基本的角位移，一般不采用负角， 这是由于，虽然每个角位移可以有正负两种表示，在三角函数计算时也会得到相 同的结果，但是在以角度作为条件判断语句时，容易发生混乱，使问题复杂化。 杆件上其他点角位移可在基本角位移基础上加( 逆时针) 减( 顺时针) 该点相对 铰链点连线的夹角。 3 示意图以及坐标原点的设置 一般来说，坐标原点应该为曲柄转动中心，如果重力不可忽略，则y 轴与机 构铅垂线重合。曲柄转动方向应尽量选为逆时针，这样可以在曲柄位移方程中省 去负号。如果从一个方向看机构睦柄转动方向为顺时针，则可以从相反方向画出 机构示意图。示意图应标明杆件的序号( 用阿拉伯数字表示) 、铰链点的英文代 号、各杆件角位移，以及重要点与铰链点连线的角度等。 4 点的位置坐标表示法 点的位置用坐标表示，而不用位移表示，即把位置关系表达成坐标形式。例 如，曲柄滑块机构中滑道的位置、曲柄摇杆机构中摇杆转动中心的位置，应以坐 标的形式输入计算机，这样在列力矩方程时，就可以确定正负号，使问题简单化， 也不易发生错误。 、 5 模型中符号的设定 符号的设定是在建立方程前和方程变换中常遇到的问题，它以传统习惯为主， 尽量选择程序中也可使用的符号。为了便于识别并减少每次设定的麻烦，在运动 学和动力学分析中，我们做以下设定： 符号说明 f 杆件顺序编号，表示杆件各运动学参量的下标 厶i 杆件两铰链点间的距离 qi 杆件铰链点连线在平面内与x 轴的夹角 比 i 杆件质心到铰链点a 的距离 武汉理工大学硕士学位论文 口“质心到铰链点a 连线与两铰链点连线的角度( 逆时针为f ) k 杆件上某点b ( 铰链点或任意点) 与铰链点a 的距离 x l ，li 杆件质心坐标 x a ，y 杆件上某点a ( 铰链点或任意点) 的坐标 x a ，y a 点在x ，y 方向的速度 x ，y a 点在x ，y 方向的加速度 a i i 杆件的角速度 qf 杆件的角加速度 口杆件i 上任意点d 和铰链点a 连线与吼终边的夹角( 逆时针) q 曲柄角速度( 一般把杆件1 作为曲柄) 慨i 杆件的质量 a 铰链点x 方向的作用力 a 铰链点y 方向的作用力 b 铰链点作用在两铰链点连线的垂直方向的分力 f b nb 铰链点作用在两铰链点连线方向的分力 m 。 以0 点为矩心的力矩代数和( 包括惯性力矩) 以b 点为矩心，杆件i 的转动惯量 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2 运动学分析 运动学分析的一般步骤为 运动学分析的关键是求解位移方程，如不能确定唯解，则需要重新画矢量 图( 如上图中虚线所示) 。 在对曲轴圆角滚压机钳口部分进行运动学分析时，已知量为：各杆件的长度 l ，起始位置各杆与x 轴的夹角0 。 1 建立位移方程 要建立机构的位移方程，首先要建立机构的矢量方程。位移方程是根据矢量 方程来建立的，矢量方程是按照矢量封闭多边形列出的。矢量封闭多边形简称矢 量环。矢量环通常是将杆件铰链点问以矢量连接，最后形成矢量封闭环。 矢量环画出后，矢量方程已经确定。矢量环画法要注意以下原则： 1 所列位移方程求角位移时，根据机构的不同可以方便的得到唯一值。 2 同一闭环不可以画两个矢量环。 3 两矢量环可以部分重叠，但不能有任何铰链点不包括在某个矢量环中。 4 所画矢量环的数量由确定机构位置的朱知量决定。未知量为偶数时，矢量 环数量等于机构未知量被2 除的数值。 按照图( 3 - 2 ) 建立机构的矢量方程为： 伽+ 仰一d c + 而此矢量关系式可以写成两个分量形式的代数式： l 1 8 ( 岛) + l 2 c o s ( 0 2 ) + l 3 。0 8 ( 岛) ；l 4 8 ( 以) ( 3 - 1 、 l 1s i n ( o , ) + l 2s i n ( 8 2 ) + l 3s i n ( 0 3 ) 。l 4s i n ( 0 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 其中； l ”l 。，l 。，l 。为杆1 ，2 ，3 ，4 的长度 o - ，0z ，0 。，0a 为杆l ，2 ，3 ，4 与x 轴的夹角。 上式即为图示的位置方程式。连杆上p 点的坐标为： 乏：篙s i n ( o 筹，二：= ( o 描2 + bs c 0 s i n ( 9 p 0 0 + + 0 0 2 c s z ， 0 = k ) + 口s i n) ) “ 2 建立速度方程 将式( 3 1 ) 对时间求一阶导数可知速度方程： 攒嚣榭一。哪6 o l ls 矧i n 0 1 净。， 将( 3 2 ) 式对时间求一阶导数可知p 点速度方程：一 仁 。瞄c 凼o s o i l _ 口a c o 嘲s 0 ：2 + 曲b c 蛳o s ( 9 9 0 篡二男辩3 c s 圳 暑l i ji f 一dl i ii ，： o + 日：) ：f 7 其中q ，0 ) 2 ，屿，分别为o a ，a b ，b c 杆的角速度。且啦已知，由式( 3 3 ) 可知 及鸭。 3 建立加速度方程 将( 3 3 ) 式再对时间求一阶导数即得到机构的加速度方程： 【- 枷1 2 血口0 ：2 - 厶1 3 螂s i n 引0 3 p j i 。h 6 0 1 2 2 ，1 1 1 。幽o s 0 1 + 也0 2 2 ：1 徊2c o s ”0 2 + 酊c 0 3 2 佃1 3 c o s 吼0 3 ) 净s ， 将( 3 4 ) 式再对时间求一阶导数即得到p 点的加速度巩；，a p ，： # ： 。：【- 。a s i 。n 疗0 ：2 + - 6 b s i s ( n ( 。9 0 。+ + p 0 ：z ) ) j l 一【1 c 蘸o 。s 口a 。t a。c。o组s80：2+6b盎con(s(99。0。+口0：2)jf卜oj：1：2 其中，s 2 ，岛分别为o a ，a b ，b c 杆的角加速度。且g 。已知。 由上面的式子知，质心处的受惯性力为： 阱m ( 3 6 ) 为简化起见夹钳仅仅受惯性力及重力两种力的作用。可以以夹钳固定点为原 点，对夹钳的惯性力，重力，以及钳口的压力取力矩。三种力互相平衡。求出钳 武汉理工大学硕士学位论文 口压力的大小。从而分析钳口压力的波动。 3 4 动力学分析 在对曲轴圆角滚压机钳口部分进行动力学分析中，已知常量为曲轴质量m 。 钳口质量m ：以及吊架质量鸭。曲轴的转速。钳口的预紧力f 0 。 3 4 1 受力分析 1 分析杆o a 受力情况 如图( 3 - 3 ) 所示： ji 一h 么 、天 脚pb 、 二，丝一 j 、 、 图( 3 3 ) 杆0 a 受力图 由图( 3 - 3 ) 所分析0 a 的受力情况，得出动力学方程为： ：只一+ 耳c o s t z l 一薯0 。+ f es i n a 一一一胁l 歹l 一0 ( 3 7 ) 芝：肼d ；昂，+ 一f i 儿一嵋而o 式中，6 t 为传动力的角度，r 为受力的力矩。 武汉理工大学硕士学位论文 2 分析连杆a b 受力情况 如图( 3 - 4 ) ： 图( 3 - 4 ) 杆a b 受力图 由图( 3 - 4 ) 所分析a b 的受力情况，得出动力学方程为： e 。+ c a s ( a 3 一石) + f ；rc o s ( a 3 一石2 ) 一m j 乞t0 bt + f ws i n 心一石) 一 f 矗s i n ( a 3 - x 2 ) 一m 2 ；j 2 0 ( 3 - 8 ) 心- - f b 。v l 2s i n ( a 3 一口2 ) 一j 2 d 2 + 工2 c o s ( a 3 一口2 ) 一小2 也( y 2 一) ) 一 ( + m 2 ；_ ) 0 2 一j ) 一0 3 分析连杆b c 受力情况 如图( 3 - 5 ) ： 图( 3 - 5 ) 杆b c 受力图 武汉理工大学硕士学位论文 由图( 3 - 5 ) 所分析b c 的受力情况，得出动力学方程为： 只= 吃+ c o s 吩+ c o s ( + z 2 ) 一川3 艺= o 0 = + f 肼s i 一o ，s i n ( d 。+ 石2 ) ( 3 9 ) 一讳：一m 3 j ；3 = 0 m c 喝，厶一嵋如一) 一i ，。磁一。 式( 3 - 7 ) ，( 3 - 8 ) ，( 3 - 9 ) 即为简化模型的动力学平衡方程。 3 5 运动学方程的求解 3 5 1 位移方程的求解 。 在前面说到，运动学方程的求解关键是求解位移方程，在解位移方程时；有 四个必须注意的问题： 1 机构建立的位移方程中，其中任何一组位移方程的未知数为2 ，是位移方 程可解的必要条件。 2 未知量求解的一般步骤为：角位移一位移一角位移一位移。 3 如果任何一组位移方程组未知数大于2 ，只能用数值方法逐次逼近求解各