一种内燃机曲轴强度的早期计算及修正方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及内燃机曲轴强度计算和修正方法，特别是一种内燃机曲轴强度的早期 计算和修正方法。
【背景技术】
[0002] 曲轴是内燃机核屯、零部件之一，在燃气力和惯性力的作用下，必须满足一定的强 度要求。当前曲轴设计过程中，一般都是在详细设计过程中，曲轴3D模型确定后才能进行 的基于有限单元法的强度校核。此时，很多关键尺寸已经不能变更，如果曲轴存在强度问题 仅能通过修改一些局部尺寸进行优化，而运种局部优化只能解决一些小问题，无法解决在 曲轴概念设计过程中，由于布局、结构形式等基础结构带来的强度问题，存在后期设计变更 的风险。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，提出了一种可W及时修改曲轴总体结构参数，避免后期设 计变更的风险、提高曲轴稳定性的内燃机曲轴强度的早期计算及修正方法。本发明的技术 方案如下：
[0004] 一种内燃机曲轴强度的早期计算及修正方法，其包括W下步骤：
[0005] 101、选取预先设定好了曲轴尺寸的内燃机曲轴，对内燃机曲轴的曲柄连杆机构进 行运动学分析，计算曲柄销和活塞销的加速度，具体包括W下步骤：建立曲柄连杆机构运动 学分析坐标系，W中间轴颈轴屯、处为坐标原点，X轴正方向表示沿曲轴轴颈中屯、指向飞轮端 的方向，Z轴正方向表示沿中间轴颈中屯、竖直向上，Y轴正方向表示由排气侧指向进气侧的 方向，曲轴旋转方向遵循右手法则。起始位置W第一缸曲柄销竖直向上起始；
[0006] 102、根据曲柄销和活塞销的加速度计算公式计算出第i个曲拐中曲柄销和活塞 销的在步骤101建立的分析坐标系中的加速度；
[0007] 103、基于步骤101和步骤102计算得到的曲柄连杆机构曲柄销和活塞销的加速 度，进行动力学分析，计算第i个曲拐受力情况，将力分解到曲拐方向及曲拐垂直方向；
[0008] 104、根据曲轴尺寸，计算曲轴危险截面属性，包括重叠度U、有效厚度Ymax、有效 宽度H、曲柄臂截面面积和抗弯截面模量；
[0009] 105、根据曲轴动力学分析结构，计算曲轴危险点安全系数，评估曲轴强度水平，选 取第m个曲拐的第2m-l曲柄臂进行强度计算，当曲柄臂强度满足预先设定的强度值时，贝U 不需要修正，否则回到步骤101修正曲轴的尺寸。
[0010] 进一步的，步骤102中的计算曲柄销和活塞销的加速度公式为：曲柄销的加速度： W11]WY_CP(i) = ?2 ?RC?sin(a+P(i)) 阳01引 WZ_CP(i) = -?2 ?RC?cos(a+P(i))
[0013] 活塞销的加速度：
[0014] DDA(i) = - ?2 ?RC?sin( 5 (i)-a-P(i))
[0015]
[0016] 孤Y_P(i) =WY_CP(i)+LR?cos0 ?D0 (i)+LR?sin0 ?孤 0 (i)
[0017] WZ_P(i) =WZ_CP(i)-LR.sin0.D0 (i)+LR.cos0 ?孤 0 (i)，其中孤Y_CP(i) 表示曲柄销的加速度在Y轴上的分量，DDZ_CP(i)表示曲柄销的加速度在Y轴上的分量，CO 表示角加速度，RC表示曲轴旋转半径，P(i)表示连杆与汽缸轴线的夹角，a表示曲柄臂与 汽缸轴线的夹角，5 (i)表示活塞轴线与汽缸轴线的夹角，LR表示连杆长度。
[0018] 进一步的，步骤103中计算第i个曲拐受力情况，将力分解到曲拐方向及曲拐垂直 方向包括:A1、计算作用于活塞的力；A2、计算活塞销座受力；A3、计算连杆小端处受力；A3、 计算曲柄销处受力；A4、计算曲轴主轴颈处受力，包括曲柄臂惯性力、配重惯性力、第一轴颈 受力、中间轴颈受力。
[0019] 进一步的，步骤105计算曲轴危险点安全系数，评估曲轴强度水平，选择第m个曲 拐的第2m-l曲柄臂进行强度计算，包括W下步骤：B1、计算曲柄臂截面内力和内力矩；B2、 计算曲柄臂截面危险点应力巧3、计算名义弯曲、扭转应力；B4、计算应力集中系数P巧4、 计算曲柄臂-主轴颈圆角处、钢曲轴；B5、计算当量应力WJDF;B6、计算安全系数FRF。
[0020] 本发明的优点及有益效果如下：
[0021] 本发明提出了的曲轴强度分析方法主要解决在曲轴概念设计早期的强度问题，能 够有效保证曲轴的概念设计中活塞销座、连杆小端、曲柄销、曲轴主轴颈等关键位置的强度 可靠性，避免在曲轴设计的后期，出现由于概念设计不合适而带来的不可逆转的曲轴强度 问题。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明提供优选实施例建立发动机的曲柄连杆机构运动学分析坐标系示 意图；
[0023] 图2是本发明提供优选实施例曲柄连杆机构运动示意图；
[0024] 图3是本发明提供优选实施例曲柄连杆机构受力简图；
[0025] 图4是本发明提供优选实施例曲轴主轴颈受力示意图； 阳0%] 图5是本发明提供优选实施例曲柄臂截面内力和内力矩示意图；
[0027] 图6是本发明优选实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0028] W下结合附图，对本发明作进一步说明：
[0029] 1.曲轴受力分析
[0030] 输入参数符号说明 阳0川 a-曲轴转角 阳03引 Mi)-第i个气缸的初始位置曲柄销倾斜角
[0033] 5 (i)-第i个气缸的中屯、线倾斜角
[0034] espl-活塞销偏屯、位移
[0035] esp2-曲轴偏屯、位移
[0036] NRPM-发动机转速
[0037] LR、化一连杆长度 阳0測 RC-曲轴半径
[0039]CPP(i)-第i个气缸中屯、的轴向坐标位置 W40]MBP(j)--第j个曲轴主轴颈中屯、的轴向坐标位置
[0041] MWEB化)一第k个曲柄臂质量 阳0创 RWEB似一第k个曲柄臂重屯、半径 阳0创 DEGWEB似--第k个曲柄臂重屯、的角度（顺时针为正）
[0044] 肥BP化)--第k个曲柄臂轴向坐标位置
[0045] MCW化)一第k个配重质量
[0046] RCW似一第k个配重重屯、半径
[0047] DEGCW(k)--第k个配重重屯、的角度（顺时针为正）
[0048] CWP(k)--第k个配重轴向坐标位置 !；00例prshiftW-点火间隔角 阳化0]DP--活塞直径阳05UMP-活塞质量 阳05引 MPP-活塞销质量
[0053] MR-连杆总质量
[0054] RLA--连杆重屯、到连杆大端中屯、的距离
[0055] MRB--连杆大端等效质量
[0056] MRS-连杆小端等效质量
[0057] MCPa)-曲柄销质量
[0058] P(i) -气体作用力
[0059] DCPO(i)-曲柄销外径直径 W60] DCPIa)-曲柄销内径直径 阳06ULCPQ)-曲柄销长度 W62] P-曲轴材料密度 阳06引 DMJ0 (m)-主轴颈外径直径 W64] Rj-主轴颈圆角半径 阳0化]化一曲柄销圆角半径
[0066] T(m)-曲柄臂厚度
[0067] W(m)-曲柄臂宽度 W側 Doil-曲柄销油孔直径 W例 5j--轴颈圆角深入曲柄的量
[0070] 0b-曲轴材料抗拉强度
[0071] 0-油孔相对于曲拐平面的位置角
[0072] F0 -1-倒角处疲劳强度曲轴表面强化方法曲拐数 阳073] 发动机总体结构的定义 阳074] 如图1所示，坐标原点为中间轴颈轴屯、处，X轴一沿曲轴轴颈中屯、指向飞轮端，Z 轴一沿中间轴颈中屯、竖直向上，Y轴一由排气侧指向进气侧。曲轴旋转方向遵循右手法则。 起始位置W第一缸曲柄销竖直向上起始。 阳0巧]曲柄连杆机构运动学
[0076] 图2曲柄连杆机构运动简图
[0077] (1)曲柄销坐标
[0078] Y-CP(i) =-RC? sin ( a + Mi))
[0079] Z_CP(i)=RC? cos(曰+Mi))
[0080]其中：
[0081] 曰=o ? t
[0082]
[0083] (2)活塞销坐标
[0084] A (i) = RC ? sin ( 5 (；L) - a - P (i)) +esp化espl
[00化] 0(i) = arccos (A/LR) -5(i)
[0086]Y_P(i) = Y_CP(i)-LR?cos0
[0087]Z_P(i) = Z_CPa)+LR?sin0 阳0蝴其中，espl指活塞销偏离气缸中屯、线的距离，偏向次推力侧为正；
[0089]esp2指气缸中屯、线偏离曲轴轴线的距离，偏向次推力侧为正。
[0090] 做曲柄销的速度 W91] DY_CP (i) = - ? ? RC ? cos ( a + P (i))
[0092] DZ-CP(i) = - ? ?RC?sin(曰 +Mi)) 阳〇9引 （4)活塞销的速度
[0094] DA(i) = - ? ?RC?cos( 5 (i) -a-P(i)) 阳0巧]
[0096]DY_P(i) =DY_CP(i)+LR?sin0 ? D0 (i)
[0097]DZ_P(i) =DZ_CP(i)+LR?cos0 ? D0 (i) 阳〇9引 （5)曲柄销的加速度
[0099] WY_CP (i) = ?2 ? RC . sin(曰+ P (i)) 阳100] WZ_CP(i) = - ?2 ? RC ? cos(a + P (i)) 阳101] (6)活塞销的加速度 阳 10引DDA(i) =-?2 ?RC?sin( 5 (i)-a- P(i)) 阳103]
阳104] WY_P(i) = WY_CP(i)+LR?cos 0 ?D0(i)+LR? sin0 ?孤0 (i) 阳105] WZ_P(i) = WZ_CP(i)-LR?sin 0 ?D0(i)+LR? cos0 ?孤0 (i) 阳1〇6] 曲柄连杆机构动力学 阳107]图3曲柄连杆机构受力简图
[0108] 作为曲拐强度计算，受力分析应该将力分解到曲拐方向及曲拐垂直方向，在理工 大学原有受力分析的基础上，建立曲拐的子坐标系，将力按照子坐标系分解，参数名也做了 相应的更改。 阳1〇9] (1)作用于活塞的力 阳110]
[0111] FPZa) = FP(i) ? cos 5 (i) 阳112] FPY(i) = -FP(i) ? sin 5 (i)
[0113] SUBFPZ(i) = FPZ(i)cos(a+p (i))-FPY(i)sin(a+p (i)) 阳114] SUBFPY(i) = FPZ(i)sin(a+p (i)+FPY(i)cos(a+p (i))
[0115] (2)活塞销座受力
[0116] FPBZ (i) = MP ?孤Z_P (i) +FPZ (i)
[0117] FPBY (i) = -MP ?孤Y_P (i) +FPY似 阳11引SUBFPBZ(i) = FPBZ(i)cos(a+p (i))-FPBY(i)sin(a+p (i)) 阳119] SUBFPBY(i) = FPBZ(i)sin(a