汽车发动机曲轴终锻模的设计及仿真_毕业设计论文(编辑修改稿)

汽车发动机曲轴终锻模的设计及仿真_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

界汽 车工业发达国 家 对 曲 轴 的加工十分重 视 ，并不 断 改 进曲轴加工工艺。 随着 WTO的加入， 国内 曲 轴 生 产 厂家已 经 意 识到形势 的 紧 迫性，引 进了 为数 不少的先 进设备 和技 术 ，以期提高 产 品的整体 竞争 力，使得曲 轴 的制造技术 水准有了大幅提高，特 别 是近 5年 来发 展更 为 迅猛。 目前 国内轿车曲轴 生 产线多为 高速柔性生 产线 FTL（ Flexible Transfer 西安广播电视大学毕业设计 4 Line）， 这 种生 产线 的特 点 是 不仅 可以加工同系列曲 轴 ， 而且还 可加工 变 型 产 品、换代产 品和新 产 品，真正具 备 柔性意 义。 为进 一步提高高速柔性生 产线 的生 产 效率，更快的 适应 市 场 ， FTL未 来发 展是敏捷柔性生 产线 AFTL（ Agile Flexible Transfer Line）。 其主要目的是： 满 足市 场变 化的需求。 不但 满 足 当 前 产 品的要求 ，还应 考 虑未 来 市 场 需求。 满 足生 产 方式的需求。 能 满 足 现 代 发动 机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的生 产 需求。 符合“精益生 产 ”的 原则。 杜 绝 浪 费 ，用最少投资 、最大回 报谋 取利 润。 由 于发动 机曲 轴 自身 结 构的特殊性，曲 轴 AFTL应 具 备 以下特 点 ：由高速加工中心和 高效专用 机床（含少量 组 合机床） 组 成。 按 工艺 流程排列机床并由自 动输 送 装 置 连 接，采用柔性 夹 具和高 效专用刀 具生 产。 为防止关键 工序 设备 故障造成全 线 停 产 ，可增 设 平行 设备 增 补 ，亦能 满 足大批量生 产 的需要。 本 课题研 究的目的意 义 发动 机曲 轴 的加工 质 量 对发动 机的功效尤 为 重要，曲 轴 是 发动 机中承受 冲击载 荷、 传递动 力的重要零件，是 发动 机的心 脏 ，它需要承受活塞通 过连 杆 传来 的力， 将 活塞的往复 运动变为 旋 转运动 ，并 将这 一旋 转运动传递给其它 部分，其工作是的受力情 况 非常复 杂， 在 发动 机各 个 部件中最 难 以保 证 加工 质 量。 由于曲 轴工作 条 件 恶 劣，因此 对 曲 轴材质 以及毛坯加工技 术 、精度、表面粗糙度 、热处 理和表面 强 化、 动 平衡等要求都十分 严格。 如果其中任何一 个环节质量没 有得到保证 ， 则可严 重影 响 曲 轴 的使用 寿命 和整机的可靠性。 锻 造作 为 金 属 加工的主要方法和手段之一。 在 国 民 经济 中占 有举 足 轻重 的地位 ， 是 装备 制造 业 ， 特 别 是机械 、 汽 车 行 业 ， 以及 军工 、 航空航天 工业中不 可或缺的主要加 工工艺。 随着经济结 构 调 整的不 断 深化 ， 特 别 是作 为 支柱 产业 的汽 车制造 业 的大 发 展 ， 为 我 国 的 锻 造 业营 造了非常好的机 会 ， 近几年在 设备 制造技 术和加工技 术 上都有了很大的 进 展 ， 行 业 的 竞争 力得到提升 ， 某些方面的技 术 水准已进 入世界先 进 行列。 锻 造的目的是使坯料成形及控制其 内 部 组织 性能 达 到所需几何形 状 、尺寸以及 质 量的 锻 件。 曲 轴经过锻 造， 质 量大大提高，使用 寿命 和整机的可靠性也大大提升。 作 为发动 机的心 脏 — 曲 轴 ，可以使 发动 机的功效 尽 可能 发挥 到最好。 西安广播电视大学毕业设计 5 第 2 章 曲 轴设计 曲 轴 是 发动 机中最重要的机件之一。 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。 曲 轴 的工作 条 件和材料的 选择 曲 轴 的工作 条 件和 设计 要求 曲 轴 是在不 断 周期性 变 化的气体 压力 、往复和旋 转运动质 量的 惯 性力以及它们 的力矩共同作用下工作的， 从 而使曲 轴 既扭 转 又 弯 曲， 产 生疲 劳应 力 状态；对内 不平衡 的发动 机曲 轴还承受内弯 矩和剪力；未采取扭 转 振 动减 振措施使曲 轴还可能作用 着 幅值 较 大的扭 转 振 动弹 性力矩。 这 些 载 荷都是交 变 性的，可能引起曲轴 疲 劳 失效。 实践表 明， 弯 曲 载 荷具有 决定 性作用， 弯 曲疲 劳 失效是主要破坏形式。 因此曲 轴结 构 强 度的研究重 点 是 弯 曲疲 劳强 度，曲 轴设计 上要致力于提高曲轴 的疲 劳强 度。 曲 轴 形 状 复 杂，应 力集中 现 象相 当严 重，特 别 在 连 杆 轴颈 与曲柄臂的 过 渡 圆角 处和润 滑油孔出口附近的 应 力集中尤 为 突出。 通常的曲 轴断 裂、疲 劳裂 纹 都始于 过 渡 圆 角和油孔 处。 图11表明了曲 轴弯 曲疲 劳 破坏和扭 转疲 劳 破坏的情 况。 弯 曲疲 劳 裂 缝从轴颈 根部表面的 圆 角 处发 展到曲柄上，基本上成 450折 断 曲柄；扭 转 疲 劳 破坏通常是 从 机械加工不良的油孔 边缘开始，约 成 450剪 断 曲柄 销。 所以，在 设计 曲 轴时 ，要特 别 注 意 设法缓 和 应 力集中 现 象， 强 化 应 力集中部位。 曲 轴 各 轴颈在很高 的比 压下 ，以很大的相 对 速度 在轴 承中 发 生滑 动 摩擦。 这些 轴 承在 实际变 工 况运转条 件下并 不总能保证为液 体摩擦，尤 其当润 滑油不洁 净时 ， 轴颈表 面遭到 强 烈的磨料磨 损 ，使得曲 轴 的 实际 使用 寿命 大大降低。 所以，设计时 ，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好适 当 材料的 轴 瓦。 曲 轴 是曲柄 连 杆机构中的中心 环节 ，其 刚 度亦很重要。 如果曲 轴弯 曲 刚 度不足， 则可 能 发 生 较剧 烈的 弯 曲振 动 ，使活塞 连 杆和 轴 承的工作 条 件大 为恶 化，影响这 些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲 轴 箱局部 应 力 过 大而 开 裂。 曲 轴 的扭 转刚 度差， 则可 能在工作 转 速范 围内产生强 烈的扭 转 振 动。 轻则 引起噪音，加图 21 曲 轴 的疲 劳 破坏 a） 弯 曲疲 劳 破坏 b）扭 转 疲 劳 破坏 西安广播电视大学毕业设计 6 速曲柄 上齿轮 等 传动 件的磨 损 ；重 则使 曲 轴断 裂。 所以， 设计时 ， 应 保 证 它 有尽可能高的 弯 曲 刚 度和扭 转刚 度。 由于曲 轴 受力复 杂， 几何 断 面形 状 比 较 特殊，在 设计时 ，至今 还没 有一 个 能反映客 观实际 的 理论 公式可供通用。 因此，目前曲 轴 的 设计 主要是依靠 经验来设计。 曲 轴 的材料 在结 构 设计 和加 工工艺 正确合理的 条 件下，主要是材料 强 度 决定着 曲 轴 的体积 、重量和 寿命。 因此，必 须 根据 发动 机的用途及 强 化 强 度，正确的 选用 曲 轴材料，在保 证 曲 轴 有足 够强 度的前提下， 尽 可能 采用一般材料。 作 为曲轴 的材料，除了 应 具有优良的机械性能以外 ，还 要求有高度的耐磨性，耐疲 劳 性和 冲击韧 性。 同 时 也要使曲 轴 的加工容易和造价低廉。 本 设计选用 的材料： 45钢 ； 材料密度： 7850Kg/m3 ； 弹 性模量： ； 强 度 应 力极限： b =600Mpa； 屈服 应 力极限： s =355Mpa； 疲 劳应 力 强 度： 1 =355Mpa； 强 化 处 理：热处理、渗碳处理。 曲 轴强 化的方法 提高曲 轴 的疲 劳强 度是 设计 人 员 必 须 努力解 决 的 问题。 为 了提高曲 轴 的疲 劳强 度，可以采用一系列 结 构 设计 和 工艺设计 措施。 在结 构 设计 方面，可以采用以下措施： 1）提高曲柄 销 和曲 轴 主 轴颈 的重迭度。 2）采用 较 大的 圆 角半 径 可以使 圆 角 弯 曲形 状 系 数 下降， 从 而提高 弯 曲 强 度。 3） 轴颈 上 设计卸载 槽使 应 力分布更加均 匀 ，而且沿 轴颈 和曲柄臂 宽 度的最大 应力较 小 ，还 可能使 轴颈到 曲柄臂 过 渡 圆 角的半 径 增大。 4）曲柄 销 的 内 卸 载 孔 相 对 其几何 轴线远 离曲柄半 径 中心呈偏心布置使 圆 角处 的 弯 曲 应 力降低，提高疲 劳强 度。 5）增大曲柄臂的厚度 和宽 度。 除了 设计 措施外， 工艺 方面利用特殊的机械加工方法 、热处 理或化 学处 理方法 强 化表面，以提高曲 轴 的疲 劳强 度。 常用的表面 强 化 工艺 有以下几种： 1） 圆 角高 频 感 应 淬火； 2） 圆 角 滚压； 3）氮化。 曲 轴 主要尺寸的确定和 结 构 细节设计 西安广播电视大学毕业设计 7 主要尺寸的确定 主 轴颈 的直 径 D1= 60mm，宽 度 L1=26mm；主 轴颈轴 端的直 径 D3= 72mm，宽度 L3=6mm；曲柄 销 的直 径 D2= 45mm，宽 度 L2=26mm；曲柄 销轴 端的直 径D4= 57mm，宽 度 L4=6mm；形 状 如 图 22单节曲轴尺寸所示。 图 22 单节曲轴尺寸 曲柄臂 的宽 度 L=15mm，其形 状 如 图 23 单节曲轴曲柄臂截面尺寸所示。 曲柄臂的起模斜度 为 外模α =5176。 ， 内 模β =7176。 ；各 处 的倒角均 为 R2。 图 23 单节曲轴曲柄臂截面尺寸 西安广播电视大学毕业设计 8 曲 轴两 端 设计 曲 轴 上 带动辅 助系 统 的 驱动链轮 （正 时链轮 ）一般 装 在曲 轴 的前端， 对 多缸发动 机而言往往把 传动齿轮装 在曲 轴 后端。 消除扭 转 振 动 的 减 振器 无疑应装 在曲轴 前端，因 为这 里的振幅最大。 驱动齿轮装 在前端采用 键连 接。 曲 轴 后端 设 有 法兰 和加粗的 轴颈 ， 飞轮 与后端用螺栓和定位 销连 接。 且定位 销 的布置是 不对称 的或只有一 个。 具体尺寸和形 状 如 图 14 曲轴前端、 15 曲轴后端所示（未 画 出定位 销 ），未 标 注的 圆 角均 为 R2。 图 24 曲 轴 前端 图 25 曲 轴 后端 最 终 得到的曲 轴总长为 l=532mm，如 图 26曲轴零件实体图所示。 具体的 标注 见 曲 轴零件图。 西安广播电视大学毕业设计 9 图 26 曲 轴零件实 体 图 西安广播电视大学毕业设计 10 第 3 章 曲 轴终锻 模 设计 热模锻压力 机是自 动 化高效率生 产 模 锻 件的模 锻设备 ，也是 被广泛应 用的模锻设备。 热模锻压 机是靠 静压力 使金 属变形 ，因此， 热模锻压 机上的 锻 模成型 规律是：金 属 沿水平方向流 动剧 烈，向高度方向流 动缓 慢。 预锻 模膛 设计 的主要 内容是 绘 制 热锻件图 和确定 飞边 槽尺寸，以下是整 个设计过 程。 制定 锻件图。