楊林建

YANG Lin-jian

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽(yáng) 618000）

0 引言

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化設(shè)備中常用機(jī)構(gòu)之一,它可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)間的相互轉(zhuǎn)化。本文對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、動(dòng)力學(xué)、仿真和裝配分析,其結(jié)果可推廣應(yīng)用到壓縮機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)等類似問(wèn)題的研究。該設(shè)計(jì)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等研究提供了重要的理論依據(jù)。

1 曲軸的設(shè)計(jì)

曲軸接受活塞壓縮機(jī)中電動(dòng)機(jī)輸入的扭矩動(dòng)力,在工作中承受周期性的復(fù)雜交變載荷。曲軸的伸臂端有1:10的錐度,裝有帶風(fēng)扇的連軸節(jié)與電動(dòng)機(jī)相連,曲軸的另一端有插入油泵齒輪軸的孔,通過(guò)孔端的盤(pán)帶動(dòng)齒輪油泵工作。主軸頸和曲拐頸內(nèi)鉆有軸向和徑向油孔。該設(shè)計(jì)尺寸分別為曲柄銷直徑80mm；主軸頸直徑90mm；曲柄的厚度48mm；曲柄寬度144mm。

在靜強(qiáng)度計(jì)算中，曲軸材料無(wú)論是采用原來(lái)的42CrMoA，還是采用S44SY鋼，對(duì)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果都沒(méi)有明顯影響。在選定的40種計(jì)算工況中，隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，最大等效應(yīng)力的位置也會(huì)發(fā)生改變，將出現(xiàn)在不同的曲拐處，而且有的工況最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在主軸頸圓弧倒角處，有的工況出現(xiàn)在連桿頸圓弧倒角處。在一個(gè)完整的工作循環(huán)中，曲軸轉(zhuǎn)角為17°時(shí)，曲軸上出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力為105MPa，位置在第6拐后側(cè)曲柄臂與主軸頸相連的圓弧倒角處，最大變形值為0.179mm，等效應(yīng)力分布云圖如圖1所示；曲軸轉(zhuǎn)角為377°時(shí)，曲軸上出現(xiàn)次大等效應(yīng)力為92.4MPa，位置在第1拐前側(cè)曲柄臂與連桿頸相連的圓弧倒角處，最大變形值為0.996mm，等效應(yīng)力分布云圖如圖2所示。在其他位置時(shí)的應(yīng)力都相對(duì)較小，所有計(jì)算工況的曲軸變形值都較小，不會(huì)對(duì)曲軸的正常工作產(chǎn)生不利影響。曲軸疲勞計(jì)算結(jié)果：采用42CrMoA材料的曲軸，計(jì)算的最小疲勞壽命值為13.371（常用對(duì)數(shù)值），換算成曲軸循環(huán)次數(shù)1013.371≈2.35×1013，其疲勞壽命云圖分布如圖3所示。曲軸材料換用S44SY鋼時(shí)，計(jì)算的最小疲勞壽命值為12.759（常用對(duì)數(shù)值），換算成曲軸循環(huán)次數(shù)1012.759≈5.74×1012，其疲勞壽命云圖分布如圖4所示。

圖1 曲軸377°位置等效應(yīng)力云圖1

圖2 曲軸377°位置等效應(yīng)力云圖2

圖3 42CrMoA曲軸疲勞壽命云圖

圖4 4SY曲軸疲勞壽命云圖

2 采用solidworks軟件進(jìn)行應(yīng)力校核

操作步驟為：建立曲軸模型；加載cosmosworks插件；生成算例；選擇材料并應(yīng)用；對(duì)軸徑處加 y方向的約束；對(duì)聯(lián)軸器所在方向端面加固定約束；對(duì)連接連桿處加載F；劃分網(wǎng)格并運(yùn)行，分別繪制最大應(yīng)力圖和乘上安全系數(shù)得到屈服力計(jì)算結(jié)果。圖5為變形比例為1241.37曲軸示意圖，圖6為扭矩計(jì)算時(shí)曲軸加載示意圖。圖7、

圖5 假設(shè)最大活塞最大應(yīng)力圖

圖6 曲軸加載扭矩計(jì)算圖

圖7 最大應(yīng)力圖1

圖9分別為最大應(yīng)力示意圖，圖8、圖10為乘以安全系數(shù)的屈服力示意圖。

圖 8 乘以安全系的屈服力圖1

圖9 最大應(yīng)力圖2

3 連桿設(shè)計(jì)

連桿屬于杠桿類零件，它是活塞式壓縮機(jī)重要傳動(dòng)件。連桿大頭通過(guò)軸瓦與曲軸的曲柄銷相連，小頭通過(guò)襯套，活塞銷與活塞相連，從而將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛钊闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)。連桿工作時(shí)，沿桿身中心線交替地傳遞很大的拉伸和壓縮力，所以它承受是反復(fù)作用的交變載荷。該設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的連桿由45優(yōu)質(zhì)碳素鋼鍛成，桿身為工字形截面，連桿大頭為剖分式，內(nèi)裝掛有軸承合金的薄壁瓦。桿身內(nèi)鉆有貫穿的油孔，以便將潤(rùn)滑油從大頭瓦處輸送至小頭軸套內(nèi)。設(shè)計(jì)的主要尺寸件下表。

序號(hào) 名稱 代號(hào) 單位 公式及其計(jì)算 說(shuō)明1 最大活塞力 P kg P=2000 已知條件2 曲柄半徑 R cm R=S/2=10/2=5 以至行程.S=10cm 3 連桿長(zhǎng)度 L cm L=R/λ=5/0.20=25 動(dòng)力計(jì)算已知λ=1/5 4 曲柄銷直徑 D cm D=5.6 =5.6 =7.9 取D=8 P的單位：噸5 大頭孔直徑 D1 cm D1=8.5 查表5-13 6 小頭襯套內(nèi)徑 d cm d=4 7 小頭襯套寬度 b cm 查表，取b=4.6 8 小頭襯套厚度 S cm S= (0.06～0.08)d=0.07×4=0.28 9 小頭孔直徑 d1 cm d1=d+2S=4+2×0.28=P4.56 取d1=4.6 10 桿體中間直徑 dm cm dm= (1.65～2.45) =2 =2.82 取dm=3cm 11 桿體中間面積 Fm cm2 Fm=πd2m/4=3.14×32÷4=7.1 12 近小頭處桿體直徑 d′ cm d′=0.8Hm=0.8×4.2=3.4

4 Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

設(shè)置工作目錄；打開(kāi)Pro/ENGINEER系統(tǒng)，單擊菜單欄中的“Fi1e—Set Working Directory”，然后在“Select Working Directory” 對(duì)話框中選擇“ x：mechanismexam pie一 0l”。建立裝配，單擊圖標(biāo)，彈出“New”對(duì)話框。在“Type” 欄中選擇“Assemble”，后在“Name”欄中輸入“sliderasm”。單擊系統(tǒng)右側(cè)工具條中的圖標(biāo)，系統(tǒng)將彈出“Open”對(duì)話框。在對(duì)話框中選擇“slider-base.prt”選項(xiàng)，然后單擊“OPEN”按鈕確認(rèn)，則系統(tǒng)將調(diào)入機(jī)架零件。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)彈出“Component Placement”對(duì)話框。單擊圖標(biāo)；然后調(diào)入并放置曲軸；調(diào)入并放置連桿；調(diào)入并放置滑塊，單擊右側(cè)工具條中的圖標(biāo)，在系統(tǒng)彈出的“Open”對(duì)話框中選擇“slider- 3．prt”，并單擊“Open”按鈕調(diào)入滑塊?；瑝K的約束設(shè)置比較復(fù)雜，需要設(shè)置2組約束。

圖10 乘以安全系的屈服力圖2

建立仿真的具體步驟為：設(shè)置電動(dòng)機(jī)；建立運(yùn)動(dòng)分析，運(yùn)動(dòng)分析的測(cè)量操作者首先要單擊右側(cè)工具條中的圖標(biāo)，打開(kāi)“Measure Results”對(duì)話框。在該對(duì)話框所包含的選項(xiàng)中，一般可以將“Graph type”選 取 為：“Measure VS、Time”； 將“Result set”設(shè)置為選取運(yùn)行的分析結(jié)果。計(jì)算建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)模型和配套機(jī)構(gòu)模型如圖11、12所示。

圖11 曲柄連桿機(jī)構(gòu)模型

圖12 配套機(jī)構(gòu)模型

5 結(jié)論

通過(guò)Pro／E構(gòu)建曲柄連桿機(jī)構(gòu)的三維裝配模型，并運(yùn)用Pro／E提供的Mechanism模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到曲軸主要零部件的受力情況。該方法也為多工況下曲柄連桿機(jī)構(gòu)載荷計(jì)算提供了一種簡(jiǎn)便有效的新思路，也為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的選型、設(shè)計(jì)提供一種參考依據(jù)。

SolidWorks軟件為大型復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期，避免了不必要的浪費(fèi)，大大降低了開(kāi)發(fā)成本。利用SolidWorks軟件進(jìn)行應(yīng)力分和校核，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)快速進(jìn)入生產(chǎn)階段提供了可靠保證的技術(shù)保證，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 祝凌云, 李斌. Pro/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2004.

[2] 商躍進(jìn). SolidWorks三維設(shè)計(jì)與應(yīng)用教程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

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