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曲轴圆角滚压钳体机构分析与优化

曾凡琮  
【摘要】:随着我国汽车工业的迅速发展,其核心零部件之一的发动机曲轴的加工备受关注。曲轴具有结构和受力状态复杂、加工困难、承受交变载荷较大等特点,其结构参数以及加工工艺水平影响整个发动机的动力、可靠性和寿命。在工作状态时,曲轴的工况环境恶劣,曲轴的应力分布是不均匀的,且是交变应力,在曲柄和轴颈处采用圆角过渡方式,该部位会产生比较严重的应力集中,故在保证发动机正常可靠运行的同时,需要保证曲轴有足够的强度、刚度和耐磨性。 一般情况下,曲轴破坏的基本形式是弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏,曲轴疲劳裂纹几乎都来自于曲柄至轴颈的过渡圆角处,强化过渡圆角可以延长曲轴的使用寿命。目前,发动机曲轴圆角滚压工艺、装备和关键技术等是国内外对曲轴加工研究的重点。 本文以曲轴圆角滚压钳体机构为研究对象,首先针对钳体机构的主要设计要求和构型设计的原则,分析了QH2-040曲轴圆角滚压数控智能加工系统钳体机构的不足,提出了改进方案,即该机构由钳体举升摇块机构、加压运动机构、夹钳摆缸机构和曲柄摇杆机构综合构成。然后对曲轴圆角滚压钳体机构进行总体设计和关键部件设计,以Pro/ENGINEER为工具,建立了整个机构的三维模型,初步确定了相关技术参数,为进一步的分析提供了设计平台。 根据滚压钳体机构的工作过程,运用杆组分析法将该复杂机构拆分成简单的单杆构件、RRR双杆组和RPR双杆组机构,对其进行运动学分析。利用Pro/ENGINEER软件对设计构件进行装配,对设计和装配完成的构件进行运动干涉分析,为运动学仿真做准备,运动仿真结果验证了运动学分析的正确性和可靠性。 以ANSYS Workbench为分析工具,运用有限元的思想对滚压钳体机构的主要构件左右钳体进行静力学分析,分析得到结构的应力场、应变场和位移场,分析结果表明钳体机构安全系数很大,仍然还可以进一步优化。 利用ANSYS Workbench的优化模块对简化后的钳体模型进行优化设计,优化的输入参数是左右钳体的高度,输出参数是钳体质量和整体变形。通过分析得到优化前钳体质量较大,导致滚压时惯性力很大,且钳体变形很大,进行优化设计以提高滚压质量和效果,得到优化后的钳体模型尺寸和参数。优化结果表明,钳体质量在允许范围内有较大减小,且机构整体变形较优化前减小了很多,有利于提高了滚压加工质量。


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