摘 要

在传统发动机中，曲轴是其核心的零件之一，而在前新能源汽车高速发展的现在，采用天然气、生物燃料等新型燃料的非传统发动机中，曲轴仍是发动机的核心，曲轴制造中材料的选择，结构与尺寸的设计对发动机整体的性能、工作可靠性及寿命都有着决定性的意义。曲轴的整体由多个部分组成，除了前端轴、主轴颈、曲柄销、曲柄等部分外，其连接处与油道等细节设计也很多，这样复杂的结构使得曲轴在工作过程中常常产生应力集中现象。曲轴在发动机运转过程中一直承受着由活塞连杆组传递的复杂又多变的力，径向力使曲轴产生弯曲变形，而轴向力使曲轴产生扭转变形，这样就使得曲轴不断地产生疲劳应力，曲轴因此就容易产生疲劳损伤甚至断裂。在保证了曲轴结构尺寸的设计足够可靠的前提下，先利用Creo软件对其进行三维建模，在导入所选材料属性后，利用ANSYS软件对模型进行网格划分，并进行弯曲扭转分析及自由模态分析，从而得出曲轴在所受约束下的分析结果与曲轴在模态分析不同阶数下的应变分布情况，再通过分析应力、应变分布情况对曲轴的结构尺寸进行一定的改良尝试，以改善曲轴的整体性能，并对实际的曲轴制造提供一定的参考。

关键词：天然气发动机；曲轴设计；ANSYS有限元分析

Abstract

In the traditional engine, crankshaft is one of the core parts. In the non-traditional engine with new fuels such as natural gas and bio fuel, crankshaft is still the core of the engine. The choice of materials, the design of structure and size in crankshaft manufacturing are decisive for the overall performance, working reliability and service life of the engine Righteousness. The whole crankshaft is composed of many parts. In addition to the front-end shaft, main journal, crank pin, crank and other parts, there are also many details of its connection and oil passage design. Such a complex structure makes the crankshaft often produce stress concentration phenomenon in the working process. The crankshaft always bears the complex and changeable force transmitted by the piston connecting rod group during the engine running. The radial force causes the crankshaft to bend and deform, while the axial force causes the crankshaft to twist and deform, which makes the crankshaft produce fatigue stress continuously, so the crankshaft is easy to produce fatigue damage or even fracture. On the premise of ensuring that the design of crankshaft structure size is reliable enough, Creo software is used to build three-dimensional model. After the selected material properties are imported, ANSYS software is used to mesh the model, and bending and torsion analysis and free modal analysis are carried out, so that the analysis results of crankshaft under the constraints and the strain distribution of crankshaft under different orders of modal analysis are obtained In order to improve the overall performance of the crankshaft and provide some reference for the actual manufacture of the crankshaft, the paper analyzes the distribution of stress and strain.

Key Words: Natural gas engine; Crankshaft design; ANSYS finite element analysis

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1前言 1

1.2目的及意义 1

1.3国内外发动机曲轴制造工艺 2

1.3.1曲轴材料的选择 2

1.3.2曲轴毛坯的制造 2

1.3.3曲轴的机械加工技术 3

1.3.4曲轴的热处理和表面处理技术 4

第2章 发动机的热力学与动力学分析 5

2.1天然气发动机结构设计参数 5

2.1.1初始条件 5

2.1.2发动机类型 5

2.1.3发动机基本参数 5

2.2发动机整体热力学计算 6

2.2.1基本参数的选择 6

2.2.2 图的绘制 7

2.2.3 图的调整 7

2.2.4热力学有效功及有效压力的计算 8

2.3发动机整体运动学计算 9

2.3.1曲轴连杆布置方式的选择 9

2.3.2发动机活塞组运动计算 9

2.3.3发动机连杆摆角计算 12

2.3.4缸内气体作用力计算 12

2.3.5活塞连杆往复惯性力计算 14

2.3.6力的输出合成 16

第3章 曲轴模型的建立 18

3.1曲轴的结构设计 18

3.1.1曲轴的结构形式和材料的确定 18

3.1.2曲轴主要尺寸的确定 19

3.1.3总体参数选择 21

3.2曲轴三维模型的建立 21

3.3曲轴有限元分析前的处理 22

3.3.1曲轴材料的导入 22

3.3.2曲轴模型的网格划分 22

第4章 曲轴ANSYS有限元分析 23

4.1曲轴的弯曲静力学分析 23

4.1.1曲轴的施加载荷与条件约束 23

4.1.2曲轴的弯曲分析结果 23

4.2曲轴的扭转静力学分析 24

4.2.1曲轴的约束条件与施加载荷 24

4.2.2曲轴的扭转分析结果 24

4.3曲轴的自由模态分析 26

4.3.1曲轴的前十五阶固有频率与振型 26

4.3.2分析结果 28

4.4原曲轴模型的改良与对比 28

4.4.1修改后模型静力学分析 29

4.4.2修改前后曲轴的前十五阶固有频率与振型的对比 30

第5章 总结 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1前言

1885年，世界上第一辆汽车在德国人卡尔•本茨的手中诞生，从现在的角度来看，这辆汽车十分简陋，但它的基本框架却被我们沿用至今。在经过了一百多年的漫长发展之后，基于石油、金属工业、塑料、机械设备、电子技术等的不断发展，凝聚了人类心血与智慧，汽车发展成为今天这样具有多种型式、规格，应用于不同情况的交通工具。而随着人们汽车拥有量的增加，随之而来的社会问题也日益凸显，其中被各个国家视为重中之重的便是其能源问题与排放问题。世界各国从上个世纪开始便意识到，汽车对能源的需求与日俱增，其排放问题也日益严重，减少能源消耗、寻找新型的替代能源及如何减少汽车的排放便成为了汽车行业所要思考并解决的关键问题。近些年发动机的新技术，如缸内直喷、可变气门正时、增压技术等等，都提高了发动机的效率，改善了汽车的能耗与排放问题。同时，电动汽车以及利用天然气、生物质燃料等的内燃机也在近些年得到了长足的发展，使用这些采用非常规的车用燃料作为动力来源的汽车不但可以缓解能源问题，更是在减少汽车排放上展现了巨大的优势。新能源汽车的发展将对未来的汽车行业产生巨大的影响。

1.2目的及意义