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一种 内燃机 曲轴强度的早期计算及修正方法

阅读：442发布：2020-09-02

专利汇可以提供一种内燃机曲轴强度的早期计算及修正方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明请求保护一种内燃机曲轴强度的早期计算及修正方法，属于发动机曲轴的强度控制技术领域，曲轴是内燃机核心零部件之一，必须满足一定的强度要求。当前曲轴强度校核一般都是在曲轴3D模型完成之后才进行相关工作，而此时，曲轴的一些主要尺寸早已确定，对于一些由于这些主要尺寸导致的强度问题，需要进行设计变更，优化成本极高。本方法则可以在曲轴设计的早期，主要尺寸确定之后，通过数值方法计算曲轴强度，对于不满足强度要求的设计方案及时进行优化，避免后期设计变更的风险。，下面是一种内燃机曲轴强度的早期计算及修正方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种内燃机曲轴强度的早期计算及修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
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，具体包括以下步骤：建立曲柄连杆机构运动学分析坐标系，以中间轴颈轴心处为坐标原点，X轴正方向表示沿曲轴轴颈中心指向飞轮端的方向，Z轴正方向表示沿中间轴颈中心竖直向上，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。起始位置以第一缸曲柄销竖直向上起始；
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；
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；
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；
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-1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，则不需要修正，否则回到步骤101修正曲轴的尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种内燃机曲轴强度的早期计算及控制方法，其特征在于，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：
2
DDY_CP(i)＝ω·RC·sin(α+β(i))
2
DDZ_CP(i)＝-ω·RC·cos(α+β(i))
活塞销的加速度：
2
DDA(i)＝-ω·RC·sin(δ(i)-α-β(i))
DDY_P(i)＝DDY_CP(i)+LR·cosθ·Dθ(i)+LR·sinθ·DDθ(i)DDZ_P(i)＝DDZ_CP(i)-LR·sinθ·Dθ(i)+LR·cosθ·DDθ(i)，其中DDY_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，ω表示角加速度，RC表示曲轴旋转半径，β(i)表示连杆与汽缸轴线的夹角，α表示曲柄臂与汽缸轴线的夹角，δ(i)表示活塞轴线与汽缸轴线的夹角，LR表示连杆长度。
3.根据权利要求1所述的一种内燃机曲轴强度的早期计算及控制方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的一种内燃机曲轴强度的早期计算及控制方法，其特征在于，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-1曲柄臂进行强度计算，包括以下步骤：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；B3、计算名义弯曲、扭转应力；B4、计算应力集中系数β；B4、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。

说明书全文

一种内燃机 曲轴强度的早期计算及修正方法

技术领域

[0001] 本发明涉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] 曲轴是内燃机核心零部件之一，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，而这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，提出了一种可以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，其包括以下步骤：

[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，具体包括以下步骤：建立曲柄连杆机构运动学分析坐标系，以中间轴颈轴心处为坐标原点，X轴正方向表示沿曲轴轴颈中心指向飞轮端的方向，Z轴正方向表示沿中间轴颈中心竖直向上，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。起始位置以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-1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，则不需要修正，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：

[0011] DDY_CP(i)＝ω2·RC·sin(α+β(i))

[0012] DDZ_CP(i)＝-ω2·RC·cos(α+β(i))

[0013] 活塞销的加速度：

[0014] DDA(i)＝-ω2·RC·sin(δ(i)-α-β(i))

[0015]

[0016] DDY_P(i)＝DDY_CP(i)+LR·cosθ·Dθ(i)+LR·sinθ·DDθ(i)

[0017] DDZ_P(i)＝DDZ_CP(i)-LR·sinθ·Dθ(i)+LR·cosθ·DDθ(i)，其中DDY_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，ω表示角加速度，RC表示曲轴旋转半径，β(i)表示连杆与汽缸轴线的夹角，α表示曲柄臂与汽缸轴线的夹角，δ(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-1曲柄臂进行强度计算，包括以下步骤：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；B3、计算名义弯曲、扭转应力；B4、计算应力集中系数β；B4、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；

[0026] 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] 以下结合附图，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

[0031] α—曲轴转角

[0032] β(i)—第i个气缸的初始位置曲柄销倾斜角

[0033] δ(i)—第i个气缸的中心线倾斜角

[0034] esp1—活塞销偏心位移

[0035] esp2—曲轴偏心位移

[0036] NRPM—发动机转速

[0037] LR、RL—连杆长度

[0038] RC—曲轴半径

[0039] CPP(i)—第i个气缸中心的轴向坐标位置

[0040] MBP(j)--第j个曲轴主轴颈中心的轴向坐标位置

[0041] MWEB(k)—第k个曲柄臂质量

[0042] RWEB(k)—第k个曲柄臂重心半径

[0043] DEGWEB(k)--第k个曲柄臂重心的角度(顺时针为正)

[0044] WEBP(k)--第k个曲柄臂轴向坐标位置

[0045] MCW(k)—第k个配重质量

[0046] RCW(k)--第k个配重重心半径

[0047] DEGCW(k)--第k个配重重心的角度(顺时针为正)

[0048] CWP(k)--第k个配重轴向坐标位置

[0049] prshift(i)--点火间隔角

[0050] DP--活塞直径

[0051] MP--活塞质量

[0052] MPP--活塞销质量

[0053] MR--连杆总质量

[0054] RLA--连杆重心到连杆大端中心的距离

[0055] MRB--连杆大端等效质量

[0056] MRS--连杆小端等效质量

[0057] MCP(i)--曲柄销质量

[0058] P(i)--气体作用力

[0059] DCPO(i)—曲柄销外径直径

[0060] DCPI(i)—曲柄销内径直径

[0061] LCP(i)—曲柄销长度

[0062] ρ—曲轴材料密度

[0063] DMJO(m)—主轴颈外径直径

[0064] Rj—主轴颈圆角半径

[0065] Rp—曲柄销圆角半径

[0066] T(m)—曲柄臂厚度

[0067] W(m)—曲柄臂宽度

[0068] Doil—曲柄销油孔直径

[0069] δj--轴颈圆角深入曲柄的量

[0070] σb—曲轴材料抗拉强度

[0071] θ—油孔相对于曲拐平面的位置角

[0072] Fσ-1—倒角处疲劳强度曲轴表面强化方法曲拐数

[0073] 发动机总体结构的定义

[0074] 如图1所示，坐标原点为中间轴颈轴心处，X轴—沿曲轴轴颈中心指向飞轮端，Z轴—沿中间轴颈中心竖直向上，Y轴—由排气侧指向进气侧。曲轴旋转方向遵循右手法则。起始位置以第一缸曲柄销竖直向上起始。

[0075] 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(α+β(i))

[0079] Z_CP(i)＝RC·cos(α+β(i))

[0080] 其中：

[0081] α＝ω·t

[0082]

[0083] (2)活塞销坐标

[0084] A(i)＝RC·sin(δ(i)-α-β(i))+esp2+esp1

[0085] θ(i)＝arccos(A/LR)-δ(i)

[0086] Y_P(i)＝Y_CP(i)-LR·cosθ

[0087] Z_P(i)＝Z_CP(i)+LR·sinθ

[0088] 其中，esp1指活塞销偏离气缸中心线的距离，偏向次推力侧为正；

[0089] esp2指气缸中心线偏离曲轴轴线的距离，偏向次推力侧为正。

[0090] (3)曲柄销的速度

[0091] DY_CP(i)＝-ω·RC·cos(α+β(i))

[0092] DZ_CP(i)＝-ω·RC·sin(α+β(i))

[0093] (4)活塞销的速度

[0094] DA(i)＝-ω·RC·cos(δ(i)-α-β(i))

[0095]

[0096] DY_P(i)＝DY_CP(i)+LR·sinθ·Dθ(i)

[0097] DZ_P(i)＝DZ_CP(i)+LR·cosθ·Dθ(i)

[0098] (5)曲柄销的加速度

[0099] DDY_CP(i)＝ω2·RC·sin(α+β(i))

[0100] DDZ_CP(i)＝-ω2·RC·cos(α+β(i))

[0101] (6)活塞销的加速度

[0102] DDA(i)＝-ω2·RC·sin(δ(i)-α-β(i))

[0103]

[0104] DDY_P(i)＝DDY_CP(i)+LR·cosθ·Dθ(i)+LR·sinθ·DDθ(i)

[0105] DDZ_P(i)＝DDZ_CP(i)-LR·sinθ·Dθ(i)+LR·cosθ·DDθ(i)

[0106] 曲柄连杆机构动力学

[0107] 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。

[0109] (1)作用于活塞的力

[0110]

[0111] FPZ(i)＝FP(i)·cosδ(i)

[0112] FPY(i)＝-FP(i)·sinδ(i)

[0113] SUBFPZ(i)＝FPZ(i)cos(α+β(i))-FPY(i)sin(α+β(i))

[0114] SUBFPY(i)＝FPZ(i)sin(α+β(i)+FPY(i)cos(α+β(i))

[0115] (2)活塞销座受力

[0116] FPBZ(i)＝MP·DDZ_P(i)+FPZ(i)

[0117] FPBY(i)＝-MP·DDY_P(i)+FPY(i)

[0118] SUBFPBZ(i)＝FPBZ(i)cos(α+β(i))-FPBY(i)sin(α+β(i))

[0119] SUBFPBY(i)＝FPBZ(i)sin(α+β(i))+FPBY(i)cos(α+β(i))

[0120] (3)连杆小端处受力

[0121] FRSZ(i)＝-(MP+MPP)·DDZ_P(i)+FPZ(i)

[0122] FRSY(i)＝-(MP+MPP)·DDY_P(i)+FPY(i)

[0123] SUBFRSZ(i)＝FRSZ(i)cos(α+β(i))-FRSY(i)sin(α+β(i))

[0124] SUBFRSY(i)＝FRSZ(i)sin(α+β(i))+FRSY(i)cos(α+β(i))

[0125] (4)曲柄销处受力

[0126] FCPZ(i)＝-(MP+MPP+MRS)·DDZ_P(i)+(MRB+MCP(i))·RC·ω2cos(α+β(i))+FPZ(i)

[0127] FCPY(i)＝-(MP+MPP+MRS)·DDY_P(i)-(MRB+MCP(i))·RC·ω2·sin(α+β(i))-FPY(i)

[0128] 其中：

[0129]

[0130] SUBFCPZ(i)＝FCPZ(i)cos(α+β(i))-FCPY(i)sin(α+β(i))

[0131] SUBFCPY(i)＝FCPZ(i)sin(α+β(i))+FCPY(i)cos(α+β(i))

[0132] (5)曲轴主轴颈处受力

[0133] ①曲柄臂惯性力

[0134] FWEBZ(2i-1)＝MWEB(2i-1)·RWEB(2i-1)·ω2·cos(α+DEGWEB(2i-1))[0135] FWEBY(2i-1)＝MWEB(2i-1)·RWEB(2i-1)·ω2·sin(α+DEGWEB(2i-1))[0136] SUBFWEBZ(2i-1)＝FWEBZ(2i-1)cos(α+β(i))-FWEBY(2i-1)sin(α+β(i))[0137] SUBFWEBY(2i-1)＝FWEBZ(2i-1)sin(α+β(i))+FWEBY(2i-1)cos(α+β(i))[0138] FWEBZ(2i)＝MWEB(2i)·RWEB(2i)·ω2·cos(α+DEGWEB(2i))

[0139] FWEBY(2i)＝MWEB(2i)·RWEB(2i)·ω2·sin(α+DEGWEB(2i))

[0140] SUBFWEBZ(2i)＝FWEBZ(2i)cos(α+β(i))-FWEBY(2i)sin(α+β(i))[0141] SUBFWEBY(2i)＝FWEBZ(2i)sin(α+β(i))+FWEBY(2i)cos(α+β(i))[0142] ②配重惯性力

[0143] FCWZ(2i-1)＝MCW(2i-1)·RCW(2i-1)·ω2·cos(α+DEGCW(2i-1))

[0144] FCWY(2i-1)＝MCW(2i-1)·RCW(2i-1)·ω2·sin(α+DEGCW(2i-1))

[0145] SUBFCWZ(2i-1)＝FCWZ(2i-1)cos(α+β(i))-FCWY(2i-1)sin(α+β(i))[0146] SUBFCWY(2i-1)＝FCWZ(2i-1)sin(α+β(i))+FCWY(2i-1)cos(α+β(i))[0147] FCWZ(2i)＝MCW(2i)·RCW(2i)·ω2·cos(α+DEGCW(2i))

[0148] FCWY(2i)＝MCW(2i)·RCW(2i)·ω2·sin(α+DEGCW(2i))

[0149] SUBFCWZ(2i)＝FCWZ(2i)cos(α+β(i))-FCWY(2i)sin(α+β(i))

[0150] SUBFCWY(2i)＝FCWZ(2i)sin(α+β(i))+FCWY(2i)cos(α+β(i))

[0151] ③各轴颈受力

[0152] 图4曲轴主轴颈受力

[0153] 第一个轴颈

[0154]

[0155]

[0156] 中间轴颈受力

[0157] 按照下面公式方式计算FMJZ(i)、FMJY(i)和FMJZ(i+1)、FMJY(i+1)[0158]

[0159] SUBFMJZ(i)＝FMJZ(i)cos(α+β(i))-FMJY(i)sin(α+β(i))

[0160] SUBFMJY(i)＝FMJZ(i)sin(α+β(i))+FMJY(i)cos(α+β(i))

[0161] SUBFMJZ(i+1)＝FMJZ(i+1)cos(α+β(i))-FMJY(i+1)sin(α+β(i)[0162] SUBFMJY(i+1)＝FMJZ(i+1)sin(α+β(i)+FMJY(i+1)cos(α+β(i))[0163] MMJZ(i)＝0

[0164]

[0165]

[0166] 2.截面属性

[0167] 对第m个曲拐的第2m-1个曲柄臂进行强度计算，步骤如下：

[0168] 重叠度U(overlap)

[0169] 第2m-1个曲柄臂重叠度

[0170]

[0171] 式中：

[0172] U(2m-1)—第2m-1个曲柄臂重叠度/mm；

[0173] DCPO(m)—第m个曲柄销外径直径/mm；

[0174] DMJO(m)—第m个主轴颈外径销直径/mm；

[0175] DMJO(m+1)—第m+1个主轴颈外径销直径/mm；

[0176] RC—曲柄半径/mm；

[0177] 有效厚度Ymax(effective thickness)

[0178] 第2m-1个曲柄臂有效厚度

[0179]

[0180] 式中：

[0181] Ymax(2m-1)—第2m-1个曲柄臂有效厚度/mm；

[0182] Rj—主轴颈圆角半径/mm；

[0183] Rp—曲柄销圆角半径/mm；

[0184] T(2m-1)—第2m-1个曲柄臂厚/mm；

[0185] U(2m-1)—第2m-1个曲柄臂重叠度/mm；

[0186] 有效宽度H(effective width)

[0187] 第2m-1个曲柄臂有效宽度

[0188]

[0189] 式中：

[0190] H(2m-1)—第2m-1个曲柄臂有效宽度/mm；

[0191] RC—曲柄半径/mm；

[0192] DMJO(m+1)—第m+1个主轴颈外径销直径/mm；

[0193] 曲柄臂截面面积和抗弯截面模量

[0194] 第2m-1个曲柄臂截面面积和抗弯截面模量：

[0195] 面积：Fweb(2m-1)＝Ymax(2m-1)·W(2m-1)

[0196] 抗弯截面模量：

[0197]2

[0198] 抗扭截面模量：Tweb(2m-1)＝β(2m-1)·W(2m-1)·Ymax(2m-1)

[0199] 式中：2

[0200] Fweb(2m-1)—第2m-1个曲柄臂截面面积/mm；3

[0201] Zweb(2m-1)—第2m-1个曲柄臂抗弯截面模量/mm；

[0202] H(2m-1)—第2m-1个曲柄臂有效宽度/mm；

[0203] Ymax(2m-1)—第2m-1个有效厚度/mm；

[0204] W(2m-1)—第2m-1个曲柄臂宽度/mm；

[0205] T(2m-1)—曲柄臂厚/mm；

[0206] β—系数，查表得；

[0207]W/Ymax 3 4 5 6
β 0.265 0.28 0.292 0.30

[0208] 3.第2m-1个曲柄臂应力计算(Web-Jou)

[0209] 曲柄臂截面内力和内力矩

[0210] 第2m-1个曲柄臂危险截面与曲轴轴线方向夹角：

[0211]

[0212] 截面内力和内力矩(曲拐平面)：

[0213] 弯矩：

[0214] WFMB(2m-1)＝-SUBFMJZ(m)·(WEBP(2m-1)-MBP(m))+SUBFCWZ(2m-1)·(CWP(2m-1)-WEBP(2m-1))

[0215] 扭矩：

[0216] WFMT(2m-1)-[SUBFMJY(m)·(WEBP(2m-1)-MBP(m)-SUBFCWY(2m-1)·(CWP(2m-1)-WEBP(2m-1))]·cos(θ(2m-1))

[0217] 拉压力：WFN(2m1)＝SUBFMJZ(m)SUBFCWZ(2m1)

[0218] 剪力：WFQ(2m-1)＝SUBFMJY(m)+SUBFCWY(2m-1)

[0219] 曲柄臂截面危险点应力

[0220] 曲柄臂-主轴颈圆角处：

[0221]

[0222]

[0223] 曲柄臂-曲柄销圆角处：

[0224]

[0225]

[0226] 式中：

[0227] WJF—主轴颈圆角处拉压应力/MPa；

[0228] WJT—主轴颈圆角处剪切应力/MPa；

[0229] WPF—曲柄销圆角处拉压应力/MPa；

[0230] WPT—曲柄销圆角处剪切应力/MPa；

[0231] 名义弯曲、扭转应力(nms、nas)

[0232] 曲柄臂-主轴颈圆角处名义弯曲、扭转平均应力和交变应力：

[0233]

[0234]

[0235]

[0236]

[0237] 曲柄臂-曲柄销圆角处名义弯曲、扭转平均应力：

[0238]

[0239]

[0240]

[0241]

[0242] 式中：

[0243] WJF(2m-1)max—主轴颈圆角最大名义弯曲应力/MPa

[0244] WJF(2m-1)min—主轴颈圆角最小名义弯曲应力/MPa

[0245] WJF(2m-1)_nms—主轴颈圆角处名义弯曲平均应力/MPa；

[0246] WJT(2m-1)_nms—主轴颈圆角处名义扭转平均应力/MPa；

[0247] WJF(2m-1)_nas—主轴颈圆角处名义弯曲交变应力/MPa；

[0248] WJT(2m-1)_nas—主轴颈圆角处名义扭转交变应力/MPa；

[0249] 应力集中系数(β)

[0250] 曲柄臂-主轴颈圆角处弯曲理论弯曲应力集中系数：

[0251] aFWJ(2m-1)＝AWJ(2m-1)×VWJ(2m-1)×fWJ(2m-1)

[0252]

[0253]

[0254]

[0255] 式中：

[0256] αFWJ(2m-1)—理论弯曲应力集中系数；

[0257] Rp—曲柄销圆角半径/mm；

[0258] T(2m-1)—曲柄臂厚/mm；

[0259] W(2m-1)—曲柄臂宽度/mm；

[0260] DCPO(m)—曲柄销外径直径/mm；

[0261] U(2m-1)—重叠度/mm；

[0262] δj—轴颈圆角深入曲柄的量/mm；

[0263] RC—曲柄半径/mm；

[0264] 曲柄臂-主轴颈圆角处扭转理论扭转应力集中系数：

[0265]

[0266] 曲柄臂-主轴颈圆角处弯曲疲劳缺口系数：

[0267]

[0268] 曲柄臂-主轴颈圆角处扭转疲劳缺口系数：

[0269]

[0270] 式中：

[0271] αFWJ(2m-1)—主轴颈圆角理论弯曲应力集中系数；

[0272] αTWJ2m-1)—主轴颈圆角理论扭转应力集中系数；

[0273] 曲柄臂-曲柄销圆角处弯曲理论弯曲应力集中系数：

[0274] aFWP(2m-1)＝AWP(2m-1)×VWP(2m-1)×fWP(2m-1)

[0275]

[0276]

[0277]

[0278] 式中：

[0279] Αfwp(2m-1)—理论弯曲应力集中系数；

[0280] Rp—曲柄销圆角半径/mm；

[0281] T(2m-1)—曲柄臂厚/mm；

[0282] W(2m-1)—曲柄臂宽度/mm；

[0283] DCPO(m)—曲柄销外径直径/mm；

[0284] U(2m-1)—重叠度/mm；

[0285] δj—轴颈圆角深入曲柄的量/mm；

[0286] RC—曲柄半径/mm；

[0287] 曲柄臂-曲柄销圆角理论扭转应力集中系数：

[0288]

[0289] 弯曲疲劳缺口系数：

[0290]

[0291] 扭转疲劳缺口系数：

[0292]

[0293] 式中：

[0294] αFWP(2m-1)—曲柄销圆角理论弯曲应力集中系数；

[0295] αTWP(2m-1)—曲柄销圆角理论扭转应力集中系数；

[0296] 工作应力

[0297] 曲柄臂-主轴颈圆角处、钢曲轴：

[0298] 弯曲应力：

[0299] OWJF(2m1)_max＝WJF(2m1)_nms+WJF(2m1)_nas×βFWJ(2m1)

[0300] WJF(2m1)_min＝WJF(2m-1)_nms-WJF(2m-1)_nas×βFWJ(2m-1)

[0301] 扭转应力：

[0302] OWJT(2m-1)_mas＝WJT(2m-1)_nms+WJT(2m-1)_nas×βTWJ(2m-1)

[0303] OWJT(2m-1)_min＝WJT(2m-1)_nms-WJT(2m-1)_nas×βTWJ(2m-1)

[0304] 曲柄臂-主轴颈圆角处、球铁曲轴：

[0305] 弯曲应力：

[0306] OWJF(2m-1)_max＝[WJF(2m-1)_nms+WJF(2m-1)_nas]×βFWJ(2m-1)[0307]

[0308] 扭转应力：

[0309] OWJT(2m-1)_max＝[WJT(2m-1)_nms+WJT(2m-1)_nas]×βTWJ(2m-1)[0310] OWJT(2m-1)_min＝[WJT(2m-1)_nms-WJT(2m-1)_nas]×βTWJ(2m-1)[0311] 式中：

[0312] WJF(2m-1)_nms—名义弯曲平均应力/MPa；

[0313] WJF(2m-1)_nas—名义弯曲交变应力/MPa；

[0314] ΒfWJ(2m-1)—弯曲应力集中系数；

[0315] WJT(2m-1)_nms—名义扭转平均应力/MPa；

[0316] WJT(2m-1)_nas—名义扭转交变应力/MPa；

[0317] βTWJ(2m-1)—扭转应力集中系数；

[0318] 曲柄臂-曲柄销圆角处、钢曲轴：

[0319] 弯曲应力：

[0320] OWPF(2m-1)_max＝WPF(2m-1)_nms+WPF(2m-1)_nas×βFWP(2m-1)

[0321] OWPF(2m-1)_min＝WPF(2m-1)_nms-WPF(2m-1)_nas×βFWP(2m-1)

[0322] 扭转应力：

[0323] OWPT(2m-1)_max＝WPT(2m-1)_nmns+WPT(2m-1)_nas×βTWP(2m-1)

[0324] OWPT(2m-1)_min＝WPT(2m-1)_nms-WPT(2m-1)_nas×βTWP(2m-1)

[0325] 曲柄臂-曲柄销圆角处、球铁曲轴：

[0326] 弯曲应力：

[0327] OWPF(2m-1)_max＝[WPGF(2m-1)_nms+WPF(2m-1)_nas]×βFWP(2m-1)[0328]扭转应力：

[0329] OWPT(2m-1)_max＝[WPT(2m-1)_nms+WPT(2m-1)_nas]×βTWP(2m-1)[0330] OWPT(2m-1)_min＝[WPT(2m-1)_nms-WPT(2m-1)_nas]×βTWP(2m-1)式中：

[0331] WPF(2m-1)_nms—名义弯曲平均应力/MPa；

[0332] WPF(2m-1)_nas—名义弯曲交变应力/MPa；

[0333] ΒfWP(2m-1)—弯曲应力集中系数；

[0334] WPT(2m-1)_nms—名义扭转平均应力/MPa；

[0335] WPT(2m-1)_nas—名义扭转交变应力/MPa；

[0336] βTWP(2m-1)—扭转应力集中系数；

[0337] 当量应力(WJDF)

[0338] 曲柄臂-主轴颈圆角处当量应力：

[0339]

[0340]

[0341] 当量平均应力：

[0342]

[0343] 当量交变应力：

[0344]

[0345] 式中：

[0346] WJDF(2m-1)_max—最大当量应力/MPa；

[0347] OWJF(2m-1)_max—最大弯曲工作应力/MPa；

[0348] OWJT(2m-1)_max—最大扭转工作应力/MPa；

[0349] WJDF(2m-1)_min—最小当量应力/MPa；

[0350] OWJF(2m-1)_min—最小弯曲工作应力/MPa；

[0351] OWJT(2m-1)_min—最小扭转工作应力/MPa；

[0352] 曲柄臂-曲柄销圆角处当量应力：

[0353]

[0354]

[0355] 当量平均应力：

[0356]

[0357] 当量交变应力：

[0358]

[0359] 式中：

[0360] WPDF(2m-1)_max—最大当量应力/MPa；

[0361] WPF(2m-1)_max—最大弯曲应力/MPa；

[0362] WPT(2m-1)_max—最大扭转应力/MPa；

[0363] WJDF(2m-1)_min—最小当量应力/MPa；

[0364] WPF(2m-1)_min—最小弯曲应力/MPa；

[0365] WPT(2m-1)_min—最小扭转应力/MPa；

[0366] 安全系数(FRF)

[0367] 曲柄臂-主轴颈圆角处、钢曲轴：

[0368]

[0369] 曲柄臂-主轴颈圆角处、球铁曲轴：

[0370]

[0371] 曲柄臂-曲柄销圆角处、钢曲轴：

[0372]

[0373] 曲柄臂-曲柄销圆角处、球铁曲轴：

[0374]

[0375] 式中：

[0376] WJDF(2m-1)_nms—主轴颈当量平均应力/MPa；

[0377] WJDF(2m-1)_nas—主轴颈当量交变应力/MPa；

[0378] WPDF(2m-1)_nms—曲柄销当量平均应力/MPa；

[0379] WPDF(2m-1)_nas—曲柄销当量交变应力/MPa；

[0380] β—强化系数(工艺影响系数)，表明不同加工方法和工艺措施对曲轴圆角部位疲劳强度的影响，可按下表选取。

[0381]表面强化方法结构钢球墨铸铁
 模锻曲轴 1.10 —
滚压圆角 1.20—1.70 1.50—1.90
氮化 1.30 1.30
圆角淬火 1.30—2.00 —
喷丸 1.30—1.40 —

[0382] ε—尺寸影响系数，表示因实际曲轴绝对尺寸与试件不同时，两者疲劳极限相比的百分比。研究和经验表明大尺寸非圆形截面的零件达不到小圆试件棒上的疲劳强度值。钢曲轴可采用公式计算：

[0383]

[0384]

[0385] 球墨铸铁ε可取为0.85～0.9倍的同尺寸结构钢的尺寸影响系数；

[0386]

[0387]

[0388] 式中：

[0389] DMJO(m)——主轴颈外径直径

[0390] λD—动力影响系数，可查表得

[0391]曲拐数 3 4 5 6 7 8 9 10
λD 1.07 1.14 1.21 1.28 1.35 1.42 1.49 1.56

[0392] ψ—不对称循环系数

[0393] 若用Goodman直线方程：

[0394]

[0395] 若用折线方程：

[0396]

[0397] σb—材料抗拉强度；

[0398] Fσ-1—倒角处疲劳强度；

[0399] σ0—材料在脉动循环下弯曲疲劳极限，σ0＝(1.4～1.6)XFσ-1，取σ0＝1.5XFσ-1。

[0400] 评价曲轴安全系数，如果不能满足早期曲轴设计的要求，则必须对曲轴的总体结构参数进行优化，使之达到设计要求。

[0401] 本发明的优点在于，可以在设计的早期，对曲轴强度进行计算和控制，避免后期设计变更。

[0402] 以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

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