桑塔納2000發動機的曲軸設計

韓　林，楊合利

桑塔納2000發動機的曲軸設計

韓林，楊合利

（德州學院 汽車工程學院，山東 德州253000）

桑塔納汽車發動機曲軸的特殊化設計為該汽車品牌提供了核心競爭力。文章采用計算機輔助技術，對該型號曲軸進行三維建模，通過設定相應的邊界條件，對模型特性進行約束，確定了發動機的設計參數。對模型進行靜力學和動力學分析，獲得了相應的機械特性。

桑塔納；發動機曲軸；三維建模；動力學分析

汽車設計制造業正飛速發展，曲軸是汽車的核心部件，也成為汽車行業的核心競爭力。桑塔納汽車是著名品牌汽車，其在曲軸的設計與制造方面具有先進的技術。目前曲軸的加工工藝主要是高速度、高效率的復合式加工技術，且成為流水線生產，可以完成大批量、精加工的生產任務。發動機曲軸的結構尺寸、重量、結構合理性對發動機的整體性能影響較大，曲軸的手工繪圖與設計過程相當復雜，經歷周期較長，工作量較大。目前，一些基于計算機軟件的曲軸設計正在飛速發展，計算機輔助設計技術可以通過設定的邊界條件智能的調整曲軸結構尺寸。另外每改變一次尺寸，計算機可以計算全部公式，將求得的結果進行比較。文章基于計算機輔助設計的思想，對桑塔納2000的發動機曲軸進行三維實體建模，根據設定的邊界條件，對曲軸施加約束，求解出滿足條件的最優設計。文章的設計思想可以為車輛、機床等機械結構設計提供參考依據，對計算機輔助設計的實際應用提供支持。

1　桑塔納2000曲軸結構設計計算

（1）曲軸的三維結構建模。結構設計的優點在于，只需要知道大概結構和尺寸，不需要精確的了解每一道尺寸。在這種情況下，我們對桑塔納2000的發動機曲軸進行三維建模。實驗證明，零件在計算機輔助設計過程中，需要的初始幾何層次越高，設計者越容易獲得大量的信息而方便了設計過程，簡化了設計步驟。但是基于這樣的結構設計會喪失一定的通用性，在計算機輔助設計中，我們會形成特定的數據庫系統，一些通用的零件可以通過直接調用的方法獲得。三維實體建?？梢酝ㄟ^基本指令建立復雜模型，也可以通過調用數據庫來形成復雜三維模型。對于曲軸的一些基本設計參數包括：設計轉速、連桿的軸頸直徑、主軸的軸頸直徑、連桿比、活塞直徑、曲柄半徑、連桿的中心距；材料參數主要包括：抗拉強度極限、彈性模量、泊松比等?；谏厦娴姆治觯赑RO/E環境下進行三維實體設計，設計參數如表1所示。

表1　實體建模參數設計

模型建立工程中需要對一些部分進行簡化和抽象。曲軸的結構較為復雜，但是大致可以分為幾個部分：連桿、曲柄、一些輔助墊片等，可以忽略一下油孔等結構。基于上面的分析，利用三維軟件繪制曲軸三維實體模型如圖1所示。

圖1　發動機曲軸的三維模型

（2）曲軸設計的必要計算。曲軸不斷重復的負載下工作，受到氣體等復雜的慣性力的作用，曲軸受到的最重要的破壞因素是彎曲載荷。外部加載在曲軸的彎曲載荷計算公式為：

曲軸所受到的最大膨脹和壓縮載荷分別為各個計算公式的代數求和。假設外部載荷沿著連桿軸頸方向和主動軸線的方向呈現正弦的變化規律，設計的公式具體如下：

壓力載荷分布曲線函數為：

Z=Ax2+Bx+c

設定邊界條件為x=0，z=q1，x=-L，Z=0。設定沿著圓周方向的壓力公式為：

根據力的分布公式，可以求得曲軸上每個節點矢量力矩，每個點的力分配到一般節點上，可以實現對整個節點的力的約束。

2　曲軸三維模型分析

（1）曲軸基本參數特征。曲軸的基本結構可知，零部件的參數中可以提取驅動曲軸的設計參數。參數的設計包括全局變量和局部變量兩種，合理的全局變量和局部變量可以為結構設計提供方便，而這些變量的選擇也會成為尺寸設計和表達方法設計的關鍵部分。汽車發動機的曲軸設計中，零件的位置關系包括曲柄轉動范圍和曲軸的長度，軸頸的數量等。另外曲柄的連接形狀可以直接或間接的影響全局變量，但是對其他的局部變量沒有影響。

當在曲軸的軸承處施加一定的載荷時，約束施加的準確與合理性將對靜力學與動力學分析產生較大的影響上面對曲軸施加的設計計算量會產生不同的結果。約束施加的地方可以轉化成相應的邊界條件，而計算機輔助設計的優點就是減小了設計中的復雜計算。通過忽略一些次要因素，曲軸的整體模型可以得到簡化，計算的結果可以是整體的結構優化，局部變量之間得到平衡。

（2）曲軸靜力學與動力學分析。在PRO/E的制造環境中，通過設定材料屬性、約束情況、受載情況，建立靜力學分析和動力學分析，觀察曲軸的靜力學特性和靜力學特性。這里由于涉及的曲軸的一個曲柄，所以對于傳動只是通過一個曲柄實現，曲柄的主要受力點曲柄的側面。加載后運行力學分析，得到曲軸的力學分析圖如圖2所示。

從靜力學和動力學分析可以看出，曲軸的應力集中部分為曲柄的底部，并和材料的疲勞強度有關。該曲軸設計的材料為40Cr，該材料具有較高的塑形可以抵抗較大的變形，對于曲軸來說，耐用度是一項重要的指標，所以應該經過疲勞斷裂的檢測。從受力分析來看，當曲軸收縮到最嚴重的破壞狀態時，并沒有發生斷裂或者其他的破壞狀態。這說明該設計的曲軸可以滿足條件。通過檢測手里的數值，可以發現數值通過材料的疲勞斷裂極限，說明上述材料的設計參數滿足條件可以使用，且力分析結果滿足使用要求。

圖2　發動機曲軸的力學分析圖

3　結語

利用三維設計軟件進行曲軸的設計或優化處理，可以減少大量復雜的計算，并且結算速度快，計算準確度高。汽車專用曲軸的設計，采用三維結構模型，假設約束條件，可以快速有效地完成設計。專用曲軸更適合參數化設計，考慮受載荷的特殊性和專用化，實現特定的需要。文章針對桑塔納2000發動機曲軸的設計思路可以為類似研究提供參考。

［1］李穗平.桑塔納2000AJR電控發動機試驗臺開發設計［J］.重慶科技學院學報，2012，14（2）：132-134.

［2］王曉華，崔志琴，張騰.汽車發動機曲軸的參數化設計［J］.農業裝備與車輛工程，2011，（12）：43-45.

［3］胡昊.基于Pro/E的汽車發動機曲軸飛輪組的三維參數化設計與研究［J］.機械設計與制造，2012，（5）：113-115.

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［5］徐中明，牟笑靜，彭旭陽.基于有限元法的發動機曲軸靜強度分析［J］.重慶大學學報，2008，31（9）：977-981.

Crankshaft Design of Santana 2000 Engine

HAN Lin，YANG He-li
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253000，China）

The specia1ization design of santana car engine crankshaft provides the brand core competitiveness for the vehic1e. This artic1e uses the computer aided techno1ogy to bui1d the 3D mode1ingof the crankshaft.Through setting the corresponding boundary conditions，this paper constrains the mode1 characteristics，determines the design parameters of the engine，constructs statics and dynamics ana1ysis of the mode1 and obtains the corresponding mechanica1 properties.

Santana；engine crankshaft；3D mode1ing；dynamics ana1ysis

U472.4

A

2095-980X（2016）03-0059-02

2016-03-14

韓林（1994-），女，山東菏澤人，大學本科，主要研究方向：汽車運用。