热动课程设计

1、 热动专业课程设计说明书院 别： 能源与动力工程学院 专 业： 热能与动力工程 班 级： 工程热物理0901 姓 名： 房文胜 学 号： 3090205012 指导教师： 潘剑锋 2013年 1月18日目 录前言：一、一拐曲轴概况1. 一拐曲轴的结构特点 2. 一拐曲轴工作情况3. 一拐曲轴设计要求4. 一拐曲轴的材料选用二、一拐曲轴PROE建模1.建模步骤2.建模最终图三、一拐曲轴ANSYS有限元分析1.倒入模型2.设置单元类型3.设置材料的密度，杨氏模量和泊松比4.创建网格5.设置载荷和约束6.求解结果操作四、总结五、参考文献前 言曲轴是发动机最重要的机件之一，是引擎的心脏，如果它的功能无

2、法准确的执行，那么引擎的马力就无法正常的发挥。一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数（直列式发动机），V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。曲轴与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。我们的课程设计主要研究的是

3、两拐曲轴的相关动力性能及强度计算。我们运用所学的内燃机设计、机械制造基础、内燃机燃烧与排放、工程材料、CAD工程制图、UG建模等课程，综合大学中所学的课程进行曲轴的分析校核设计。通过研究曲轴的工作过程以及加工工艺过程，以及曲轴的三维实体建模和ANSYS强度分析计算，使我们理论结合实践，提高实际操作能力，增强自身的核心竞争力，在课程设计的过程中具体目标有如下几个：1、分析曲轴工作环境，性能要求以及材料等；2、根据图纸进行三维实体建模；3、对模型进行有限元分析；4、根据有限元分析的结果进行强度分析。课程设计说明书一、一拐曲轴概况1. 一拐曲轴结构特点曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和

4、后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数（直列式发动机），V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。我们设计的是直列式发动机的两拐曲轴。主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴支承在曲轴箱的主轴承座中，曲轴的支承方式分为全支承曲轴和非全支承两种。而我们采取的是全支承曲轴。曲轴的连杆轴颈是曲轴和连杆的连接部分，通过曲柄和主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列发动机的连杆轴颈数目与气缸数相等，V型发动机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，断面为椭圆形，为了平衡惯性力，铸有（或紧固有）平衡重块。它可以用来平衡发动机不平衡的

5、离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。曲轴的形状和曲拐相对位置（即曲拐的布置）取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。安排多缸发动机的发火顺序应注意使连续作功的两缸相距尽可能远，以减少主轴承的载荷，同时避免可能发生的进气重叠现象。2.曲轴工作情况曲轴是发动机的主要旋转机构，它担负着将活塞的上下往复运动转变为自身的圆周运动。通常所说的发动机转速就是曲轴的转速。曲轴与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变

6、负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，使轴既扭转又弯曲。3.曲轴的设计要求曲轴在不同周期性的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩（扭转和弯曲）共同作用下工作，使曲轴既扭转又弯曲，产生疲劳应力状态。在设计时应首先保证曲轴具有在足够的弯曲强度和扭转刚度。如果强度不足，会发生造成严重事故。为此，必须选用高强度的材料；合理的结构形状和尺寸。曲轴各轴颈在很高的比压下，以很大的相对速度在轴承中发生滑动摩擦。这些轴承在实际变工况运转条件下并不总能保证液体摩擦，尤其当润滑不洁净时，轴颈表面遭到强烈的磨料磨损，使得曲轴的实际使用寿命大大降低。所以设计时，要使其各摩擦表面耐磨，各轴颈应具有足够的

7、承压面积同时给予尽可能好的工作条件。4.曲轴的材料选用汽车发动机曲轴的材料一般采用45钢（精选含碳的质量分数为0.42%-0.47%）或40Cr、35CrMo，并经调质处理，以提高其强度及抗冲击能力。为提高耐磨性和耐疲劳强度，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工，以达到较高的表面硬度和表面粗糙度的要求。二、一拐曲轴PROE建模Pro/E软件是美国PTC公司推出的大型CAD/CAM/CAE一体化软件。无论是造型设计、工程出图，以及3D装配等方面，Pro/E都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。Pro/E更是以其基于特征的参数化设计、单一数据库下的全相关性等新概念而闻名于世。另外还具有

8、模具设计，动态、静态干涉检查，计算质量特征（如质心、惯性矩）等功能模块。用Pro/E创建的三维参数化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻转动态观察结构形体，更可以进行方便的动态修改和调整。进行力学分析、运动分析、数控加工等。因此我们选用pro/E进行两拐曲轴的建模。1.建模步骤1）拉伸前部的轴运用拉伸工具，如图2所示： 图12）拉伸第二段轴运用拉伸工具，如图2所示： 图23）拉伸第三段轴运用拉伸工具，如图3所示： 图34）拉伸尺寸如图4所示。 图45）拉伸键槽如图5所示。图56) 凸轮的设计如图6所示。 图67）拉伸如图7所示。 图78）拉伸连接轴如图8所示。 图89）镜像凸轮如图9所示。 图9

9、10) 拉伸如图10所示 图1011） 前轴中心孔旋转生成 图11 12）拉伸运用拉伸工具，如图12所示： 图12a 图12b 13）、拉伸轴运用拉伸工具，如图13所示： 图1316）、拉伸轴 运用拉伸工具，如图16所示：图1617）、螺纹孔设计 运用拉伸阵列工具，如图17所示： 阵列螺纹孔图1718）、打孔如图所示：图1819）、旋转生成孔运用旋转工具，如图19所示：图19a图19b20）、最后进行倒角和圆角等细节处理运用拉伸工具，如图20所示：图202.建模最终图三、 曲轴ANSYS有限元分析1.导入模型打开Ansys workbench，双击Static Structural弹出如下对话

10、框右击Geometry点击Browse导入pro/e模型，然后双击Model导入图形导入效果如下：2.材料选择材料选择结构钢 密度：9850kg/m3,杨氏模量：2E+11Pa，泊松比：0.3 由图可证明材料已添加到模型中。3.网格划分单元网格密度为5mm,采用默认算法，自动生成网格为下图所示；4.施加约束和载荷曲轴图示处与轴承相接触，施加约束限制两个转动和两个移动如下图所示；添加载荷：X方向 5500N Y方向 4800N Z方向 0N考虑重力的影响，设置竖直X向下的重力，如下图所示；6求解点击solve进行计算，结果如下A.总形变云图由图可见，平衡配重处为最大变形点，最大形变量为0.002

11、6524mm，形变量最小处为与配重对应的主轴颈上端，形变量为2.7005e-5。 B.应力云图应力最大处为主轴颈与曲臂接触的过度圆角处，如图所示，最大数值为14.937Mpa。过渡圆角处有较大集中应力，故此处为最危险的地方，所以工作状况应主要考虑此处，在设计的方面也应对此处进行加强，确保其能正常工作。C弹性应变图由于应变是由应力产生的，所以其图形与应力图一样，只是单位不同而已。D安全系数图由图可看出曲轴可正常工作，是安全的。4、 总结： 虽然课程设计的时间为两个星期，但真正做的时间也不过四五天的样子，其实这些天数足够了，分组的课程设计业算是锻炼大家的团队配合吧，我主要是负责ansys分析的，对于这个软件开始一点都不了解，自己看了三天的书然后在从网上找了一些教程，总算基本了解了其操作过程，由于软件是全英文的，所以在使用时还是遇到了不少的困难，通过与同学的研究也收获了不少。在分析之余，自己也用ug画了一遍图形，感觉最难的地方就是油孔和曲柄臂的切削。通过这几天的课程设计，自己也收获到了很多，有些事情是急不来的，只有慢慢摸索，对于ansys也了解了不少，感觉这个软件真的很强大，也很有用处，以前用过fluent进行数值模拟