JM491Q汽油机曲轴设计

JM491Q汽油机曲轴设计1.前言1.1论文的背景和意义发动机的发展可追溯到18世纪，主要是利用主要是利用燃烧所产生的缸内的压力升高，在膨胀过程中加速活塞和齿条机构，最终使气缸内产生真空，再推动该活塞，齿条通过离合器与输出轴啮合，输出功率。因为效率低，后来又进行了多次的改造。经过日积月累的经验，大量的实验，汽车的技术日益优化。目前全球汽车的使用也是在飞速的普及。美、德、日等各个工业大国目前都在致力于效益好，消耗少，低排放甚至零排放的绿色环保型、高性能的发动机的开发, 可是由于新型技术如增压技术、扩缸技术及提高转速等提高功率的技术, 都对曲轴的性能有了更高的要求，所以曲轴的设计开发及材料要求，就在急迫的有待于优化，因此各个工业大国都在开发新的材料，以便于满足曲轴之类的零件的需要，并且设计新的性能的曲轴，通过各种软件将其优化，以加速曲轴的研究开发。以满足不同的市场需求。据中国曲轴行业市场前瞻与投资预测分析报告前瞻数据显示,近年来，国内汽车需求旺盛、全球汽车市场中心向发展中国家转移、汽车零部件采购日益全球化等等因素促进了中国整体汽车市场愈发作为中国工业发展支柱产业的地位。当前我国的曲轴设计经历百年的发展，也已经从一开始的几乎全部都依靠国外进口，发展到后来小功率的发动机系列，再到后来改革开放后的飞速发展，后来中国加入WTO后，汽车与内燃机产品都面临着国际市场的激烈竞争，这些都推动了我国内燃机的发展。为了更好的适应市场，未来还将做敏捷柔性生产线AFTL。以满足不断变换的市场需求。满足“多品种、大中批量、高效率、低成本”生产要求，精益生产，杜绝资源浪费, 用少投资求大回报。1.2本次设计的设计目的通过本次设计，是为了将自己大学所学专业知识系统的掌握，同时能够理论与实际结合，将学到的理论知识运用进实际生活。增强自己独立完成任务，细心分析，缜密思考的能力，同时也是对自己耐性、能力的考验，希望通过此次设计，完满完成大学到工作角色的转换，进一步提高自己。设计的具体的内容如下：1）收集资料了解JM491Q发动机的重要参数，具体结构，及其我要设计的曲轴结构的工作过程。2）根据曲轴的工作条件、结构型式和材料的选择相适宜的主要结构参数，及其完成相关细节的设计，如油孔、倒角等。3）学习CAD，来完成曲轴的二维图的绘制，用来直观的确定设计好的曲轴。2.JM491Q发动机介绍JM491Q，如下图所示，采用分组式多点燃油喷射、闭环控制系统的改进型。其控制系统能根据发动机的实际运行工况和环境精确地控制点火时间和供油量，具有更好的动力性和经济性，排气系统加装三元催化净化器后，整车的排放指标满足EUR02（欧洲2号）排放标准的要求。2.1JM491Q主要技术参数 表1 JM491Q主要技术参数型式直列4缸、四冲程、水冷、侧置凸轮轴排量2.237L最大功率76kW42004600rmin最大扭矩193N.m22002800rmin达到排放标准欧、欧（需匹配标定）2.2冷却方式介绍由陈家瑞主编的汽车构造上册第八章知，冷却系统的作用是将受热零件吸收的热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。 发动机的冷却系有风冷和水冷之分。以空气为冷却介质的冷却系称为风冷系；以冷却液为冷却介质的称为水冷系。水冷式发动机冷却较好而且均匀，强化的潜力要比风冷式发动机大，所以在汽车发动机上至今大多数还是水冷式发动机。在条件相同时，主要由于充量系数的差别，水冷机比风泠机高5%10%。此外风冷发动机功率和燃料消耗受气温变化影响较大，不如水冷发动机指标稳定。3.热力学计算3.1内燃机的工作循环内燃机的工作循环是周期性的将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能的过程，它由活塞往复运动形成的进气、压缩、膨胀和排气等多个有序联系、重复过程组成。在工作过程中，工质的温度、压力、成分和流动状态等状态时刻发生着非常复杂的变化，难以进行细致的物理和化学分析，因而需要根据内燃机的工作过程的特点，将实际循环简化，建立理论循环。可归纳为等容加热循环、等压加热循环、混合加热循环三种，通过理论的循环的热力学研究，可以达到的目的：1)、用简单的公式来阐明工作过程中的各个热力参数间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和循环平均压力为代表的动力性的基本途径。2）、确定循坏热效率的理论极限，以判断实际内燃机的工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。3）、有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性3.2热力学计算过程JM491Q发动机的工作循环过程，在理论条件下面下，可近似看作等容加热循环: ，通常情况下，压缩始点的，（为当地大气压力值），设定，则，压缩过程的绝热指数为，所以选取。膨胀过程中的绝热指数为,所以选取 【发动机设计】， ，初取，根据【内燃机学】压缩比确定压缩比。 （公式4 ）, ， ，因为，得出 （公式5 ）4.动力学计算详细依据【内燃机动力学】张宝成著，第二章曲轴连杆机构动力学4.1 质量转换做复合平面运动的零件-连杆组，包括连杆体、连杆小头衬套、连杆盖以及连杆螺栓等质量，总质量用m表示。为了方便计算，一般将连杆组的质量换算成集中于活塞销中心处往复运动的质量和集中与曲轴销处的旋转运动的质量来代替复合运动的连杆质量。根据质量换算原则，连杆替代系统的动力效应必须与原连杆相同，为此应满足下面三个条件质量不变：所有简化后的质量总和应等于原连杆的质量m,即 :系统的质心位置不变：代替系统质心与原连杆质心重合，即: ：连杆质心至连杆小头中心距离 ,：连杆质心至连杆大头中心距离 由上述两个条件得: , 沿气缸轴线作直线运动的活塞组零件，可以按质量不变的原则简单相加，并集中在活塞销中心。 系统对质心的转动惯量不变：所有简化后的质量对于连杆组质心的转动惯量之和等于原来的转动惯量。质量换算成为和两个质量。对于上述三个条件是不能完全满足的，既第三个条件不能得到满足。因为换算后的质量对于连杆组质心的转动惯量和为，它不等于原来的转动惯量。这是由于I的大小同质量分布离质心有关，如果质量分布离质心越远，则I越大，转换后双质量系统转动惯量显然比原来系统的转动惯性更大一些。往复惯性质量：,式中：为活塞质量，为活塞销质量，连杆小头质量。计算活塞质量： （公式11） （公式12） （公式13）其中-活塞直径，；-活塞厚度，；-活塞高度，;-活塞销外径，;-活塞销内径，;-连杆小头内径，； 连杆小头外径，；-连杆小头宽度，；活塞密度、活塞销密度、连杆密度，材料分别为共晶铝合金、20Mn、40MnB，故其密度分别为：。经过估算得到:4.2作用在活塞上的力缸内的气体压力，随着曲轴转角不同而作周期性变化。气体压力作用在活塞顶上，通过活塞销传递到曲柄连杆机构，作用在活塞上的气体作用力等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞顶面积的乘积，即:5.2.1气体力 （公式14）气缸内的的气体压力(MPa)-曲轴箱内的气体压力（MPa）-活塞直径（mm）气缸内的气体压力随着曲柄转角的变化曲线，由示功图表示，示功图的横坐标通常是用曲柄转角来表示的，也有用气缸工作容积来表示的，即示功图。由于容积可用活塞位移来表示，又是曲柄转角的函数，故图与两种示功图之间可方便的进行转换。5.曲轴结构设计5.1曲轴的工作条件和设计要求（1）曲轴是在工作过程中，遭受到周期性的气体压力、往复惯性力和旋转惯性力以及它们的力矩（扭转和弯曲）共同作用下工作的，使曲轴既扭转又弯曲，受到疲劳应力的作用。曲轴破坏统计表明，80左右是由弯曲疲劳产生的。因此，曲轴结构设计的重点是弯曲疲劳强度。（2）设计曲轴时，应保证它具有足够的的弯曲强度和扭转刚度。具有足够的疲劳强度，特别是应力集中部位要得到强化，设法缓和应力集中现象，采用局部强化的方法来解决曲轴整体强度不足的矛盾。 （3）保证轴颈具有足够的刚度，如果曲轴刚度不足，会大大恶化活塞、连杆、轴承等零件的工作条件，影响他们的工作可能性和耐磨性，扭转刚度不足则有可能产生强烈的扭转振动，轻则硬气噪音，加速传动件的磨损，重则使曲轴断裂。（4）曲轴各轴颈在很大的压力下，已很大的相对速度在轴承中发动滑动摩擦，特别是滑油不干净的时候，轴颈表面更容易遭到强烈的磨料磨损。故进行曲轴结构设计时，应使其表面耐磨，各轴颈有足够的承压面积和理想的润滑工作条件。（5）曲轴应有良好的工作均匀性，平衡性5.2曲轴的结构型式曲轴从整体结构上看可以分为整体式和组合式，由于复杂结构铸造和锻造技术的进步，现代内燃机几乎全部都用整体式曲轴。从支承方式看，曲轴有全支承结构和浮动支承结构，为了提高曲轴的弯曲强度和刚度，现代多缸内燃机的曲轴都采用全支承结构。5. 3曲轴的材料曲轴材料的选用原则：（1）优良的机械性能。（2）良好的耐磨性、耐疲劳性和冲击耐性。（3）具有良好的切削性和加工性能。（4）成本廉价。常用的材料有45，40Cr，35Mn2等中碳钢和中碳合金钢。轴颈表面经高频淬火或氮化处理，最后进行精加工。目前球磨铸铁由于性能优良，加工方便，价格便宜广泛地用于曲轴材料。本设计采用40Cr。表2 40Cr的力学性能材料名称牌号合金结构钢40Cr78598195.4曲轴强度计算为了较准确地得到交变载荷作用下发动机曲轴的应力、变形的大小及分布。校核其疲劳强度，估算其疲劳寿命，对于曲轴的优化、改进设计具有重要的意义。在此借助ANSYS进行有限元分析得到。其安全系数的计算如下； 安全系数的计算： （公式22）其中， 曲轴材料对循环弯曲疲劳极限，40Cr为。 曲轴弯曲时圆角的应力集中系数，本设计过度圆角为18。 强化系数，本曲轴为模锻曲轴，查取内燃机设计手册，取 。 材料对应力循环不对称敏感系数。 脉动循环时材料的弯曲疲劳极限，对于40Cr曲轴 ，取： ，所以。 绝对尺寸影响系数，查取资料得 。 疲劳安全系数, ， 等式中， 动力强化系数，查内燃机设计手册， 。 动荷系数，一般 ，本次取。 （公式2