高特性汽油机曲轴构设与工程分析

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1、高特性汽油机曲轴构设与工程分析-->第1章绪论1.1论文研究的目的和意义进入21世纪以来我国经济快速发展，尤其是汽车工业发生了井喷式的发展，汽车年产销量从2000年的200万辆，到2012年中国汽车产销突破1840万辆，汽车保有量突破1亿辆，我国也一跃成为汽车大国，我们社会面临着汽车能源需求难以满足，环境保护问题更为尖锐。发动机是我们日常社会活动中的重要动力装备，飞机、汽车、船舶乃至农用机械都离不开它。但伴着汽车行业的发展随之而来的世界能源危机与环境保护的两大难题，世界上所有发动机的总功率已经占到了所有动力装备总功

2、率的一半以上，而发动机烧掉的燃料也占到了国内每年石油燃料消耗的60%以上；同时，因为汽车在大城市中越来越多，也构成了我们城市空气污染的重要污染源之一，发动机的废气排放已经超过工业废气的一半还要多。解决这两大难题的迫切性对整个汽车行业提出了更高的节能减排的要求。这个责任更多的落在了新技术发动机设计与制造上，一个好的发动机必须能够有高的性能，低的排放与能耗。因此作为从事发动机设计尤其作为在自主品牌汽车企业做发动机设计开发工程师的一员更加感到了肩上的责任与使命感。现在的发动机技术的发展已经到了精益求精的地步，从精细设计、

3、精密制造与精准电控标定，来全面挖掘发动机的性能、油耗等潜力，在这个大的趋势的引导下，使得我们的发动机从设计上越来越精细，制造也越来越精密，对发动机的紧凑性和高性能的要求也越来越高。因此，无论从节约能源还是保护环境的角度出发，我们对发动机的性能和排放都提出了近乎苛刻的要求。既要输出功率大（驾驶感受）、比燃料消耗少（经济），同时还要遵守国家日益严格的排放法规要求。据研究整个发动机中因摩擦造成的能量损失占到了全部损失比重很大，曲轴轴承和气阀的摩擦损失占到了24%[1][2]。因此对曲轴及其轴承的优化设计减少摩擦功，提高传

4、动效率对于发动机整体减少燃料消耗、降低排放都有着重大意义。曲轴是发动机中最重要的零件之一。它的功能是将发动机活塞的往复运动转变为旋转运动，并将连杆传来的切向力转变为扭矩以输出功率[3]。在设计上，它的尺寸参数的选定不仅在很大程度上对发动机的整体尺寸和重量有着影响，而且曲轴的可靠性也是表征发动机的可靠性与使用寿命重要的一环。曲轴一旦发生断裂失效极有可能引起发动机乃至整车的严重损坏，严重时还会引起人身安全事故[4]。由此来说，曲轴的设计合理与否是至关重要的。在发动机的结构改进中，曲轴的改进往往也占有重要的地位。随着发动

5、机设计技术水平的不断提高，随着发动机制造技术水平的不断提高，人们对发动机的强化也越来越高，因而导致曲轴的工作负荷严重增加，工作环境也愈加苛刻。因此曲轴的疲劳强度问题变得更为突出，在设计曲轴时必须合理的选择曲轴的基本尺寸参数、结构形式、材料与工艺，从而取得最合理的效果[3]。从我们做过的项目中以及大量的曲轴破坏分析的文献中，不难看出，曲轴的弯曲破坏是其主要的失效模式，因此曲轴设计中要关注重点部位的结构设计，要关注曲轴重点部位疲劳强度问题，曲轴形状已经决定了该处是最容易应力集中的部分，轴颈和曲柄连接的圆角处和油孔附近是

6、曲轴应力集中最严重的部位，圆角处更为突出，此处设计要充分考虑结构和工艺，来提高抗疲劳破坏的能力。同时发动机工作时由于燃气的作用加上自振频率等，会造成共振破坏，因此轴系设计中要充分考虑到扭振的破坏[5]。另外还要考虑曲轴轴颈工作在高比压、高摩擦和高温的环境中，对曲轴轴颈的耐磨性也是有着很高要求的。以上也是我们设计曲轴要重点关注的设计要求，同时要考虑紧凑型、轻量化、低成本等综合因素，才能设计出一款好的产品来。随着计算机技术的不断发展和进步，CAD、CAE技术在发动机开发中的应用日趋广泛，尤其是以PRO/Engineer

7、、UG、CATIA等三维设计软件的推广，为设计工程师们提供了既快又好的设计工具，使得工程师的设计工作能够快速准确的完成，避免了原来只能靠工程师在脑海中刻画三维图像，然后凭借自己的人脑思维来把三维图像转换成二维工程图纸，工作强度大，且一不小心就会出现错误。以AVLExcite等仿真软件的应用，为设计人员在发动机曲轴系等零部件的设计完成后提供了模拟仿真，使得虚拟验证成为一项重要的向工程师提供合理的改进优化建议的方法。随着发动机设计的日趋成熟，现在发动机曲轴的设计流程已经非常明朗：如图1.1所示。第2章曲轴设计及曲轴计算

8、分析2.1曲轴设计曲柄连杆机构将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，将作用在活塞顶面燃气作的功传递给曲轴，并最终由曲轴将动力输出，驱动整个与之相关联的零部件进行工作[9]。在曲轴前端带动附件轮系，包括减震皮带轮、凸轮轴链轮（皮带轮）、发电机、空压机、动力转向泵等机件，维持着发动机和整车正常运转的功能。曲轴的后端与飞轮通过螺栓连接在一起，再与离合器（液力变矩器