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      內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的現(xiàn)狀和發(fā)展

      2014-06-06 11:35:29王琛
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年18期
      關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī)現(xiàn)狀

      王琛

      摘 要:作為內(nèi)燃機(jī)重要的零配件,曲軸強(qiáng)度體現(xiàn)在抗疲勞和抗斷裂兩個(gè)方面,如果曲軸強(qiáng)度水平不足,可能會(huì)引起內(nèi)燃機(jī)其他零配件的損壞?;趦?nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和可靠性要求,文章將在分析內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,深入研討如何提高內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的具體方法。

      關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);曲軸強(qiáng)度;現(xiàn)狀

      1 內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀

      1.1 結(jié)構(gòu)復(fù)雜

      內(nèi)燃機(jī)的曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在加工時(shí),一方面要求具有較為可觀的承受荷載能力,而且要兼顧內(nèi)燃機(jī)的功率需求,因此在設(shè)計(jì)時(shí),要求保證曲軸強(qiáng)度達(dá)到既定的水平。曲軸在內(nèi)燃機(jī)中的作用是承受氣缸內(nèi)砌體作用力,并以旋轉(zhuǎn)、往復(fù)等運(yùn)動(dòng)方式,為內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行提供慣性力。但由于內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的荷載在周期內(nèi)不斷變化,以致曲軸持續(xù)承受彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,尤其是過(guò)渡圓角位置,應(yīng)力過(guò)于集中,最終導(dǎo)致曲軸的疲勞失效。

      1.2 永久性性能變化

      在內(nèi)燃機(jī)實(shí)際應(yīng)用時(shí),隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng),曲軸局部某點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)永久性的性能變化,反復(fù)循環(huán)載荷作用下,逐漸形成裂紋,甚至擴(kuò)展至斷裂破裂,即人們常說(shuō)的疲勞斷裂。疲勞斷裂具有低應(yīng)力性、突然性、時(shí)間性、敏感性等特征,國(guó)內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)中,大約有80%以上內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞,就是因?yàn)榍S的疲勞破壞引起,大約占其他強(qiáng)度破壞故障率的95%左右。從側(cè)面亟需要求改善內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀。

      1.3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

      目前內(nèi)燃機(jī)曲軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì),是在系統(tǒng)組合動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上,分析曲軸的應(yīng)力分布,以此確定曲軸的疲勞強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù),并選擇最佳的強(qiáng)度儲(chǔ)備點(diǎn),進(jìn)行曲軸的疲勞試驗(yàn),以此提高設(shè)計(jì)的成功率。期間需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的幾何參數(shù)、材料特性、載荷譜等,對(duì)零部件進(jìn)行有限元分析和估算疲勞強(qiáng)度,在通過(guò)虛擬試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)后,擬定詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。

      2 內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度的設(shè)計(jì)建議

      2.1 建立曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

      鑒于內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在設(shè)計(jì)曲軸時(shí),應(yīng)該建立曲軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并借助各類動(dòng)力學(xué)仿真軟件和專業(yè)模塊,以形成包括模板、子系統(tǒng)、裝配等在內(nèi)的模型結(jié)構(gòu)。模型的建立,一方面更改了模板的子系統(tǒng),使得模型參數(shù)化,另一方面是按照一定的幾何體約束比例,設(shè)定模板的參數(shù),然后集合多個(gè)子系統(tǒng),為子系統(tǒng)的信息傳遞和求解提供渠道。在建立曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中所涉及的數(shù)據(jù)涵蓋了內(nèi)燃機(jī)的汽缸數(shù)、沖程數(shù)、缸心距、連桿尺寸和軸承布置等,而子系統(tǒng)的建立,要求對(duì)曲軸部件的尺寸、密度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立,能夠?yàn)榍S強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供更為精確的數(shù)據(jù),這也是內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。

      2.2 分析曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

      曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的分析,通過(guò)對(duì)曲軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用,按照曲軸強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果,分別進(jìn)行減振器參數(shù)調(diào)試、活塞加速度比較分析、活塞側(cè)擊力比較分析、曲柄銷載荷比較分析、主軸承載荷分析等,全方位調(diào)整曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)的差異性。首先是減振器的參數(shù)調(diào)試,系統(tǒng)測(cè)量布置是在曲軸上方設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī),其左右側(cè)分別為位移傳感器、信號(hào)齒輪和飛輪,其中位移傳感器由采集卡和PC機(jī)組成,在進(jìn)行減振器參數(shù)調(diào)整之后,通過(guò)扭振響應(yīng)曲線,可以看出振幅軸向基本一致,其數(shù)據(jù)誤差對(duì)曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)精度影響不大。其次是活塞加速度比較分析,通過(guò)對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角、連桿擺角、曲柄半徑、曲柄連桿比、連桿中心距等參數(shù)的確定,借助倍角余弦函數(shù),表示活塞的位移,這樣所計(jì)算出來(lái)的內(nèi)燃機(jī)曲軸加速度,在實(shí)際曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)中就能夠避免相對(duì)誤差的影響。再次是活塞側(cè)擊力比較分析,即曲軸在爆發(fā)壓力作用下的精度誤差,鑒于所有曲柄銷載荷曲線的一致性,可利用現(xiàn)代算法取值曲柄銷徑向和切向的峰值,以此檢驗(yàn)連桿的質(zhì)量等效。最后是主軸承載荷分析,確定同一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的軸承載荷、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、扭轉(zhuǎn)情況、輸出扭矩和曲拐內(nèi)彎矩等。

      2.3 曲軸應(yīng)力計(jì)算

      曲軸強(qiáng)度的控制,需要準(zhǔn)確分析曲軸的應(yīng)力分布,因此需要通過(guò)曲軸應(yīng)力計(jì)算,以改善有效應(yīng)力集中系數(shù)的精度。另外,需要注意的是,曲軸破壞的其中一個(gè)主要因素,就是由于彎曲應(yīng)力失控引起的。在此筆者建議應(yīng)用有限元分析法,對(duì)曲軸應(yīng)力展開(kāi)計(jì)算,并得出曲軸的疲勞安全系數(shù)。在計(jì)算之前,還需要評(píng)估曲軸高應(yīng)力位置的疲勞安全,期間假定曲柄銷圓角和主軸頸圓角為高應(yīng)力區(qū)域,然后將曲拐相互獨(dú)立的主軸頸,簡(jiǎn)化成截?cái)嗪?jiǎn)支梁模型,這樣就能夠判斷出彎曲應(yīng)力對(duì)曲軸的破壞程度。至于曲軸改進(jìn)后常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的流程,一方面是根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,判斷曲軸強(qiáng)度是否合格,進(jìn)而確定安全系數(shù),并進(jìn)行扭振修正、屈服極限分析、表面處理、尺寸影響消除等,另一方面是利用截?cái)嗪?jiǎn)支梁模型,分析工作彎矩和計(jì)算截面模量,進(jìn)而確定曲軸應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力。在設(shè)計(jì)曲軸強(qiáng)度期間,我們還需要掌握以下的重要強(qiáng)度計(jì)算參數(shù),其中包括連桿質(zhì)量、活塞組質(zhì)量、曲柄半徑、連桿長(zhǎng)度、缸套內(nèi)徑、曲柄銷直徑、曲柄銷長(zhǎng)度、主軸頸直徑、主軸頸長(zhǎng)度、連桿大頭軸瓦寬度、曲軸主軸瓦寬度、凸臺(tái)厚度、曲柄臂厚度、轉(zhuǎn)速、最大爆壓、材料極限強(qiáng)度。借助這些計(jì)算參數(shù),就可以計(jì)算出理論應(yīng)力集中系數(shù)和有效應(yīng)力集中系數(shù),分析曲軸的疲勞強(qiáng)度。

      2.4 曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)

      曲軸彎曲疲勞試驗(yàn),常見(jiàn)的試驗(yàn)方法有成組試驗(yàn)法、配對(duì)升降法、疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法三種,其中成組試驗(yàn)法適用于曲軸過(guò)載時(shí)的疲勞強(qiáng)度,可相對(duì)合理估算出曲軸安全壽命;配對(duì)升降法是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)范,選取隨機(jī)出現(xiàn)的成對(duì)數(shù)據(jù),但只適用于分散性較小的試件;疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法,主要通過(guò)應(yīng)力-壽命雙對(duì)數(shù)坐標(biāo),找出循環(huán)斷裂點(diǎn),根據(jù)數(shù)值選取真實(shí)的斷裂強(qiáng)度。在此筆者推薦使用疲勞極限統(tǒng)計(jì)分析法,這種分析方法要求控制好試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)變片的電阻值,以及柵長(zhǎng)、柵寬、靈敏系數(shù)、精度等級(jí)等,并標(biāo)定載荷,即在“靜標(biāo)動(dòng)測(cè)”原理范圍內(nèi),分析試件某個(gè)部位的靜態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)應(yīng)變,然后得出靜標(biāo)曲線的應(yīng)變值和確定在該應(yīng)變值下的激振轉(zhuǎn)速大小。至于系統(tǒng)誤差的分析,則要?dú)w結(jié)為人為或者系統(tǒng)的誤差,前者只需要提高試驗(yàn)人員的技術(shù)水平,并規(guī)范技術(shù)操作規(guī)范即可,后者則需要考量應(yīng)變片在系統(tǒng)中的動(dòng)載荷測(cè)量情況,調(diào)節(jié)各點(diǎn)應(yīng)變量的真實(shí)值,使得更加接近測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)。除此之外,在疲勞試驗(yàn)期間,還要求妥善處理試驗(yàn)的數(shù)據(jù),一方面是精確估計(jì)母體強(qiáng)度,另一方面是采用正態(tài)分布模型統(tǒng)計(jì)分析法,估計(jì)失效數(shù)據(jù)中的中位秩,得出曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)的強(qiáng)度安全系數(shù),為內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度水平的提高,做出合理的設(shè)計(jì)選擇。

      3 結(jié)束語(yǔ)

      內(nèi)燃機(jī)歷經(jīng)兩個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,其環(huán)保性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo),成為衡量?jī)?nèi)燃機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,而作為主要零配件的曲軸,其強(qiáng)度水平,直接關(guān)系到自身及其他零配件的強(qiáng)度。文章通過(guò)研究,基本明確了內(nèi)燃機(jī)曲軸強(qiáng)度現(xiàn)狀及發(fā)展情況,其中所涉及到的曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法,是基于實(shí)際曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),但鑒于內(nèi)燃機(jī)曲軸設(shè)計(jì)在技術(shù)要求方面具有差異性,因此這些方法的應(yīng)用,有必要結(jié)合實(shí)際曲軸設(shè)計(jì)的工作條件,對(duì)相應(yīng)的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)充和完善,方可有效保證曲軸的強(qiáng)度水平。

      參考文獻(xiàn)

      [1]尤楊.淺談曲軸設(shè)計(jì)加工及強(qiáng)度仿真校核方法[J].價(jià)值工程,2013(2):51-52.

      [2]劉萬(wàn)選,魏敬乾.16V240Z型內(nèi)燃機(jī)曲軸的強(qiáng)度性能分析[J].機(jī)械工程師,2012(12):64-65.

      [3]胡軍義,路明.基于有限元的內(nèi)燃機(jī)曲軸疲勞強(qiáng)度分析[J].汽車工程師,2012(2):43-44.

      [4]邵立新.內(nèi)燃機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響[J].現(xiàn)代零部件,2009(6):74-76.

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