四拐曲轴课程设计说明书
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2012年 1月16日
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引言
曲轴是发动机里必不可少的部件。

它的尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影响着发动机的可靠性与寿命。

曲轴的破坏事故可能引起发动机其它零件的严重损坏，在发动机的结构改进中，曲轴的改进也占有重要地位。

随着内燃机的发展与强化，曲轴的工作条件越来越恶劣了。

因此，曲轴的强度和刚度问题就变得更加严重了。

在设计曲轴时，必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、材料与工艺，以求获得经济最合理的效果因此，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四拐曲轴的相关动力性能及强度计算。

我们运用所学的《工程制图》、《机械制造基础》、《工程材料》、《UG建模》、《CAD/CAE/CAM》技术与应用等课程，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。

2.四拐曲轴UG建模
UG软件是Siemens PLM Software公司推出的大型CAD/CAM交互式系统。

在工业设计、产品设计、NC加工、模具设计等方面，UG都具有操作容易、使用方便、可动态修改的特点。

用UG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。

我们选用UG进行四拐曲轴的建模。

2.1建模步骤
1）创建固定基准平面。

在平面上建立草图，拉伸
2）建立草图，并按轨迹进行扫掠
几何体求差，面倒圆。

形成如图
3）建立草图，并反向拉伸1mm，求差
4）建立草图（圆），拉伸
5）创建固定基准面，沿基准面产生镜像体。

连杆轴面倒圆
6）建立草图，拉伸，镜像（对称形成）
7）镜像，旋转，移动之后形成
8）建立草图，拉伸（一边3个圆柱，另一边2圆柱）
9）草图建立，选点打孔
（此图螺纹孔、阶梯孔简化）
细节图如下
2.2建模形成图
3. 曲轴ANSYS有限元分析
ANSYS有限公司由John Swanson博士创建于1970年，该公司开发利用计算机技术进行工程分析的软件。

ANSYS有限元程序是ANSYS有限公司的主要产品。

它开发初期是为了用于电力工业，现在已能满足从汽车、电子到宇航、化学等大多数工业领域有限元分析(FEA)的需要。

ANSYS软件作为一个大型、通用的有限元程序，其功能已为全世界所公认。

ANSYS是迄今为止世界范围内唯一通过IS09001质量认证的分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)，美国核安全局(NQA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。

ANSYS是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在17个部委推广使用的分析软件。

ANSYS软件具有结构、热、电磁、流体分析等强大的功能。

该软件采用APDL参数化设计语言,能和AutoCAD, UG, I-DEAS, PRO/E等多种CAD软件接口，因此本设计采用ANSYS软件进行有限元分析。

3.1导入模型
打开Ansys workbench，双击Static Structural弹
出如下对话框右击Geometry点击Browse导入UG模型，
然后双击Model导入图形。

3.2材料选择（下图）
3.3网格划分
由于曲轴结构复杂，利用有限元软件进行建模时很难保证与图纸上的曲轴结构完全一致，因此建模时必须简化。

为了减少应力集中，曲轴上不同截面的结合处都有半径不一的倒角，如果在建模时考虑这些倒角和油孔，则会使有限元的网格非常密集，这就大大地增加了模型的单元数量，花费大量的求解时间，而且生成的网格形状也不理想，降低了求解精度，因此在整体曲轴建模时仅考虑主轴颈、曲轴轴颈与曲拐连接处的过渡圆角。

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；
3.4施加约束和载荷
1）约束
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
2）载荷
任何实际结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性，因此给结构模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。

在结构分析涉及到的所有载荷中，惯性载荷相对于整体笛卡儿坐标系施加于整个模型，除此之外，其它载荷既可以施加于实体图元（点、线、面），也可以施加在
有限元模型上（结点、单元）。

载荷可以进行施加(Apply)、删除(Delete)、运算(Operate)。

添加载荷1500N：
3.5求解结果操作
点击solve进行计算，结果如下
1）总形变云图
2）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1.4335e6Pa。

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。

3）应变云图
由图可见，平衡配重处为最大变形点，最大形变量为7.2263e-6m，形变量最小处为与配重对应的主轴颈上端，形变量为7.1194e-13m。

4）安全系数
曲轴的安全系数即曲轴强度的储备系数，它表示曲轴本身的疲劳强度与工作应力之比。

3.6结论
该曲轴的应力集中主要出现在连杆轴颈下侧与主轴颈上侧过渡圆角处，该曲轴的强度不能达到要求，扭转作用对发动机曲轴应力值的影响较小。

网格的划分及单元选择对有限元分析结果有较大的影响。

并且采用有限元分析，使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一步。

从而减低设计周期，减少工作量，费用更低，质量更高。

并且通过应力分布图可以直观的得到曲轴圆角处得应力情况,这对于今后改进曲轴的结构具有极其重要的作用。