2100T型柴油机曲轴飞轮组优化设计

2100T 型柴油机 曲轴飞轮组优化设计说明书 姓名 封博明 学号 3008201279 专业 热能与动力工程 内燃机课程设计任务书 任务 2100T 型柴油机曲轴飞轮组优化设计 组员 封博明 (组长 )、李钊、李星韵、刘建赟、叶文基 步骤 确定优化方案、目标、进度 任务分配，细化到个人 查阅相关专业书籍和文献，下载安装并学习有关软件 进行初步优化，并和其它小组沟通协调，保证装配条件以 及整体优化 按老师要求的时间节点整理提交阶段性总结报告 任务 封博明 1 复习曲轴的结构和设计要求 ， 利用 三维建模软件建 立曲轴的几何模型 2 曲轴的有限元分析，利用 行划分网格等有 限元前后处理，在 进行求解，得出曲轴 应力应变分布。主要方向是对平衡重的加载、轴颈尺寸 做出优化，满足曲轴工作条件的前提下，也可对不同材 料下的曲轴进行对比。 分配 李钊 应用传统公式算法对原始尺寸及 优化的曲轴进行强度校核 刘建赟 对原柴油机启动方式进行改进，改 手启动和电启动混合启动方 叶文基 式为纯电启动 ， 在保证柴油机顺利启动的条件下 ， 对飞轮轻量化 。 主 要查阅内燃机设计资料对发动机启动临界点有关参数进行确定。 李星韵 曲轴扭振分析 计划 02/28 03/02 基础知识学习，软件学习 03/04 03/05 建立曲轴及飞轮三维模型 03/06 03/08 建立有限元模型 进度 03/09 03/14 优化方案实施 03/15 03/20 优化结 果合理性检验 03/21 03/23 整理总结 说明： 1 首先应以学习为目的， 广泛阅读相关领域书籍、文献资料； 2 了解发动机曲轴力学分析方法，将理论分析与工程实际应用相结合； 3 熟练掌握专业软件； 4 严格按照制定的工作计划进行。 曲轴是柴油机中最重要且最昂贵的构件，受到不断周期性变化的气缸压力、 往复和旋转质量的惯性力以及它们的力矩的共同作用 ， 并对外输出扭矩 ， 同时还 伴有扭转振动 ， 工作负荷非常大 ， 容易发生断裂等破 。 曲轴既扭转又弯曲 ， 并 产 生疲劳应力 。 对曲轴来说 ， 弯曲载荷具有决定性作用 ， 而扭转载荷仅占次要地位 （不包括因扭转振动而产生的扭转疲劳破坏 ） 。 曲轴破坏统计分析表明 ， 80% 左 右的疲劳破坏是由弯曲疲劳产生的 。 因此 ， 曲轴结构强度研究的重点是弯曲疲劳 强度。 随着世界经济和科学技术日新月异的进步 ， 同时在世界范围内 ， 环境保护的 呼声越来越高 ， 保护生态环境法规的日益严格 ， 柴油机正朝着高速 、 低油耗 、 度、 低污染和噪声以及提高工作可靠性和延长使用寿命的方向不断发展 。 柴油机的发 展和强化 ， 使得曲轴的工作条件越来越苛刻 ， 曲轴 的强度设计是发动机设计中的 一个关键步骤。 内燃机的动力学分析 、 强度分析 、 结构优化设计是天津大学内燃机专业的研 究重点 ， 先后针对轴系 、 机体 、 轴承等发动机关键部件开展过多次动态特性研究、 强度可靠性分析和结构优化设计。 2100T 型柴油机概况与主要性能参数 型号 2100式 立式、水冷、四行程、直接喷射式燃烧室 气缸数 2 缸 气缸直径 100塞行程 120定功率 1h 功率： 力 12h 功率： 25 马力 （ 标定转速 2000 转 /分钟 最大扭矩 11 公斤 *米 最大扭矩转速 1500 转 /分钟 标定功率时燃油消耗率 195 克 /马力 *小时 ( 252h ) 标定功率时机油消耗率 4 克 /马力 *小时 压缩比 16:1 活塞总排量 平均有效压力 斤 /平方厘米 活塞平均速度 8 米 /秒 气缸发火顺序（从飞轮端视） 1轴旋转方向（从飞轮端视） 逆时针 启动方式 手启动或电启动 润滑方式 压力与飞溅复合式 外形尺寸（长 *高 *宽） 移动式： 555*486*748（毫米） 固 定式： 684*485*806（毫米） 用途 主要用于拖拉机等农用汽车动力 2100T 型柴油机曲轴的材料采用高优质的合金球墨铸铁 ， 制造方便 ， 成本低。 曲轴由前端、曲拐、曲轴后端及平衡重组成，主轴颈直径粗而短，以提高刚度， 主轴颈为空心，曲柄销也是空心，既可以减少重量，又可以减少离心力。 2100 型是枣核型空腔。 柴油机的动平衡分析 多缸内燃机运转时沿着每一气缸的中心线都作用有往复惯性力 一曲 拐的旋转平台内部都作用有离心惯性力 所谓内燃机平衡问题 ，就是研究如何计算它们的合力及合力矩，并研究怎 样才能把由它们所引起的有害作用减至最小。 动平衡指物体旋转时，物体上的所有换算质量的离心力矢量和对于轴线上 的任一点的力矩的矢量和为 0，则物体是动平衡的。 2100T 型柴油机的曲柄图如下所示 ： （计算公式见设计书） 所以 2100T 型柴油机的曲轴是动不平衡的，必须在与曲拐相对位置加平衡重。 2100T 型柴油 机的平衡重是直接铸造出并与曲轴连成一体的。 柴油机曲轴受力的分析 一、 曲轴应力计算的分类 现有的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算，其计算步骤分为以下两步 :一是应 力计算，求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力 ;二是 在 此基础上进行疲劳强度 计算。 由经验可知 ， 曲轴疲劳破坏的位置是 ： 曲柄销与曲柄臂或主轴颈与曲柄臂的过渡 圆角处 ， 油孔边缘 。 实践表明 ， 油孔的安全系数可以通过正确的设计和油孔加工 的精度保证，所以不进行油孔处的疲劳计算 二、 常用的应力计算的方法有三种 :传统法、有限元法。 1. 传统方法： 传统应力计算方法可分为两种 :简支梁法和连续梁。简支梁法计算简单，使 用方便，连续梁法计算复杂，但与实测结果比较吻合。 简支梁法假定曲轴上的每一曲柄是一个断开的简支梁 ， 自由的置于通过两主 轴承中点的支撑上，如下图所示。 支承视为刚性简支 ， 连杆力视为集中力 ， 作用于曲柄销的中点 ， 轴段间只考虑扭矩的传 递 ， 不考虑弯矩的传递 。 该方法多年来被普遍使用 ， 是一种简单易行 ， 充分安全但过于 保 守 的强度计算方法 。 该方法除了上述的过于保守的缺点外 ， 还有一个较大的缺点是不能算出曲 轴销与主轴连接处的弯曲应力 ， 不能通过计算确定该处的强度状况 ， 而使过渡圆角的设计无 可依据的数据，而这恰恰是曲轴设计应十分注意的问题。 连续梁法把曲轴简化为多支承的静不定连续梁 ， 如下图 ， 应用三弯 矩或五弯矩方 程求解。由于假设的几何力学模型不同，连续梁法主要有以下三种 (1) 将曲轴简化为多支承圆柱形连续直梁，其直径与轴颈直径相同或相当 ; (2) 曲轴作为支承在弹性支承上变截面的静不定直梁 ; (3) 曲轴作为支承在弹性支承上的静不定曲梁。 支梁法曲轴计算模型 连续梁法曲轴计算模型 有限元法分析流程图 2. 有限元方法： 传统方法根据名义应力和应力集中系数计算曲轴危险部位的应力 。 由于曲轴 形状复杂 ， 名义应力的准确计算比较困难 ， 而应力集中系数通常由单拐平面模型 计算或由有限数量的曲轴试验数据推算得到 ， 再加上名义应力和应力集中系数很 难结合一致地反映实际最大应力 ， 因此传统方法有相当 的不准确性 。 有限元理论 的发展，为精确且全面地计算曲轴应力提供了条件。 完整的有限元分析流程如下图所示： 三、 有限元法分析过程 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法 。 它把求解区域看作是由许多 小的节点处互相连接的子域所构成 ， 其模型给出基本方程的子域近似解 ， 因为子 域可以分割成各种形状和大小的不同的尺寸 ， 所以它能很好地适应复杂的几何形 状、材料特性和边界条件。 1. 三维模型的建立 工作的第一步就是建立几何模型 ， 有限元模型的建立是以良好的几何模型为 基础的 ， 而且几何模型可以使使用者直观的面对所要做的对象 ， 形象生动 。 曲轴 结构比较复杂 ， 如果实体建模时把各种小的倒角和圆角以及油孔都考虑进去 ， 网 格划分时非常复杂 ， 且会产生许多不良的单元 。 根据经验 ， 曲轴受力最大处在连 杆轴颈和主轴颈过渡圆角处 。 考虑到这些因素 ， 在对曲轴实体建模时忽略小的倒 角和圆角以及油孔 ， 在划分网格时对连杆轴颈和主轴颈过渡圆角处进行网格加密。 运用 立三维模型，并将其导入 。 2. 曲轴有限元模型的建立 三维有限元分析采用的计算模型一般有三种： (1) 1/4 或 1/2 曲拐模型。它主要考虑弯曲载荷作用，并认为曲轴的形状和作用 载荷相对于曲拐平面对称。 (2) 单个曲拐模型 。 用于分析曲轴上受载荷最严重的曲拐 ， 优点在于计算规模小。 但很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件 ， 剖 分面距离过渡圆角很近也会 影响计算精度 。 为了考虑相邻曲拐 、 轴承孔不同心度及支承变形等影响因素， 常将单拐模型与曲轴的整体梁元模型联合起来使用 ， 先用梁元模型计算曲轴 各拐的约束力和支反力 ， 然后将计算所得的约束力和支反力与单拐受到的气 压力和惯性力一并作为单拐模型的力边界条件。 (3) 整体曲轴模型 。 这是进行曲轴有限元分析最合理的模型 ， 计算精度高 。 但是， 其计算规模巨大，为了在常规条件下求解，必须采用合适的方法。 传统的曲轴应力计算多是采用单拐或是 1/2 曲 拐模型 ， 这种模型不能很好地 确定两端面的边界条件 ， 误差比较大 ， 不能反映出曲轴内部的应力分布状态 。 把 曲轴简化为连续梁模型 ， 也有一定的局限性 ， 不能反映出轴颈与曲臂之间过渡圆 角处的受力情况。本研究采用整体曲轴进行计算。 3. 有限元网格的划分 采用 10 节 点四 面体等参单元进行网格划分 . 共有 26688 个节点 ， 15918 个 单 元。 模型如下图所示。 4. 边界条件处理： 载荷边界条件的处理重点是作用在轴颈表面的力处理 。 早期计算时 ， 作用在 主轴颈上的支承反力由简支梁法确定 ， 并设定为集中力 ， 如上 图 （ a） 。 现在 已 基 本按连续梁法计算 ， 并且设定作用在轴颈上的载荷为分布载荷 ， 沿轴线方向均布 或呈抛物线分布，沿圆周方向 120呈余弦分布，如上图（ b） （ c） 。 在位移边界条件处理中 ， 一般根据曲轴结构等方面的实际 情况决定处理方法。 例如 ， 考虑到曲轴推力轴承的止推作用 ， 在主轴颈中央端面施加轴向约束 ； 在曲 拐对称平面内不会产生垂直于曲拐平面方向上的位移 ， 因此在对称面上加相应的 约束曲轴的支承情况很复杂 ， 以前一般把主轴承视为刚性 ， 对主轴颈施加刚性约 束。 5. 设置材料特性及单元特性 任何结构对象都是由不同材料构成的 ， 不同的材料具有不同的力学 、 传热学、 电磁和流体行为特性 ， 这些特性就是材料属性特性 。 本模型柴油机曲轴的材料是 合金球墨铸铁，材料的机械性能如下表所示。 材料名称 弹性模量 E (N/泊松比 质 量密度 (Kg/ ( (1 (00 420 215 连杆轴颈压力分布 6. 计算结果应力分析 等效应力较大值发生在主轴颈与曲柄相连的过渡圆角处， 及连杆轴颈与曲柄 相连的过渡圆角处。最大值为杆轴颈与曲柄相连处过渡圆角的下部，其值为 165(计算结果及 云图见电子版 ) 7. 疲劳强度校核 整体曲轴的断裂 ， 在多数 情况下首先在曲柄销圆角出现疲劳裂纹 ， 随后裂纹 向曲柄臂发展而导致整根曲轴的断裂 。 只在个别情况下因曲轴支承的局部损坏引 起支座弯矩急剧增加而造成主轴颈圆角损坏 。 这主要是由于主轴颈圆角应力以压 应力为主 ， 致使其抗交变载荷的能力增强 。 因此 ， 通常仅对承载最大曲柄的曲柄 销圆角进行疲劳强度计算就能满足要求 。 曲柄销圆角弯曲疲劳强度安全系数可用 下式计算（具体见设计书上 ） 。 计算得到： = n = 工作安全系数 的计算公式为 = ，计算的到： = 2 + 对于材质不均匀 、 性能离散 度较大 、 且应力计算精度较低的曲轴产品 ， 可取 安全系数许用值 n = 经 比较得知 ， 曲轴的安全系数在其许用安全值 n 范围之内，因此曲轴在工作状态中是安全可靠的。 四、 结论 通过对曲轴平衡重和轴颈尺寸的校核计算，并得出优化方案。通过对 2100T 柴油机曲轴优化后地三维有限元分析得到如下结论 ： 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。