基于SolidWorks的曲轴零件的参数化设计.docx

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基于SolidWorks的曲轴零件的参数化设计

毕业论文

基于SolidWorks的曲轴零件的参数化设计

基于SolidWorks的曲轴零件的参数化设计

摘要：

曲轴是发动机中将活塞的往复运动转化为圆周运动的核心部件，对于同一种机型，在研发和改进过程中曲轴的尺寸参数变化相对较少。

以VisualBasic6.0为开发工具，可以实现直列四缸发动机机曲轴零件的参数的确定。

以三维特征造型软件SolidWorks为开发平台，可以设计基于特征的四缸机曲轴零件三维模型的参数化系统，通过改变零件主要参数的程序参数化和交互式参数化两种方法完成模型尺寸的实时修改，生成新的模型，快速完成四缸机曲轴零件的三维模型设计。

本文建立的基于特征的直列四缸发动机机曲轴三维造型系统可以完成主要零件的三维动态造型工作，为后续的强度分析、性能分析、制造加工等奠定一定的基础。

关键词：

曲轴，VB,SolidWorks，二次开发，参数化

Abstract：

Theenginewillcrankreciprocatingpistonintocircularmotionofthecorecomponents,forthesamemodel,intheprocessofdevelopingandimprovingcrankshaftrelativelysmallsizeparameters.WithVisualBasic6.0,developmenttools,inlinefour-cylinderenginecanachievetheparameterstodeterminecrankshaftparts,aswellasautomaticcalculationofgeometricalparameters.Three-dimensionalfeaturesofSolidWorksmodelingsoftwareforthedevelopmentplatform,feature-basedthree-dimensionalmodelfour-cylinderenginecrankshaftpartsofthesystemparameters,youcanchangethepartsofthemainparametersoftheprocessparametersandinteractiveparametersformodelsizeoftworeal-timechanges,updatemodelsize,generateanewmodel,fastfour-cylinderenginecrankshaftpartstocompletethree-dimensionalmodelofthedesign.

Inthispaper,basedoncharacteristicsoftheinlinefour-cylinderenginecrankshafttocompletethree-dimensionalmodelingsystemofthemaincomponentsofthethree-dimensionaldynamicmodelingwork,theintensityoffollow-upanalysis,performanceanalysis,manufacturingandprocessingtolayafoundation.

Keywords:

crankshaft,VB,SolidWorks,secondarydevelopment,parametric

前言

在汽车发动机的众多构成件当中，曲轴是发动机中最重要、载荷最重、工作环境最复杂、价格最贵的零件之一，被喻为发动机的脊梁骨。

正确合理的四缸机曲轴设计对发动机运行性能有着重要的影响，但由于曲轴的生产主要为主机配套，国内曲轴系列化、通用化和规范化程度很低，即使同一型号的四缸机曲轴，零件图纸的技术标准也可能各有差异，互不通用。

国内四缸机曲轴产品设计的混乱状况，给用户的使用选择带来了很大困难[1]。

由此可见，根据发动机的工况条件及发展趋势，设计出一套列系列化、通用化的直列四缸发动机机曲轴，以供各式发动机设计匹配时选用，是发动机四缸机曲轴设计的未来之路。

第2章曲轴设计主要参数的确定

曲轴是发动机中价格最贵的重要零件。

其成本大致占整机成本的1/10。

曲轴承受着由缸内气体作用力、往复惯性力和旋转惯性力引起的周期性变化的弯曲和扭转负荷[1]。

一般情况下，曲轴最常见的损坏原因是弯曲疲劳。

归纳起来对曲轴设计要求有以下几个方面曲轴的设计要求:

足够的疲劳强度，设计时特别要设法缓和应力集中现象，尽可能加强弯曲疲劳强度较弱的曲臂部分，选用适当材料或采用必要的强化工艺措施。

尽可能大的弯曲刚度和扭转刚度，以保证活塞连杆组和个轴承的可靠工作，避免产生严重的扭振、纵振和横振。

为了提高弯曲刚度，最好是增加轴颈的直径，尽量争取较大的轴颈重叠度和减小跨度。

为了提高扭转刚度，也需加粗轴颈和减小曲轴的总长。

但是由于曲柄销直径的加大不仅受到活塞拆装的限制，而且会因转动惯量的增加导致扭振固有频率降低，对扭振不利，因此应该主要加粗主轴颈，并尽量将曲柄销作成空心的。

同样的道理，应尽量减小平衡块的重量和消除曲柄臂的肩部。

应保证主轴承和曲柄销轴承有足够的承压面积和可靠的润滑，轴颈具有良好的耐磨性。

为此要在曲轴及轴承材料的选择、制造工艺、降低轴承负荷及合理设计润滑油道等方面给与保证。

尽可能采用普通材料，如碳素钢或球墨铸铁，以降低制造成本，采用高合金钢材料，对应力集中比较敏感，表面粗糙度要好，否则疲劳强度会下降，过渡区应应力不能集中。

上述这些要求之间是存在矛盾的。

保证曲轴有足够的疲劳强度是曲轴设计的首要问题。

曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承承压能力和润滑条件的要求。

另一方面，曲轴轴颈直径增加会使摩擦损失增加。

以下根据曲轴设计要求和经验公式对曲轴部分参数进行校验对比。

2.1曲轴设计参数取值范围的确定

2.1.1主轴颈直径d1

从理论上讲，主轴径承受力要比曲柄销小一半，但为了提高整根曲轴的刚度，一般设计要求d1>d2,柴油机取d1/D=0.67～0.8,汽油机取d1/D=0.65～0.75一般取值在经验公式范围内偏高，主轴径直径偏大。

2.1.2主轴颈宽度L1

一般经验数值柴油机为L1/D=0.40～0.45，汽油机为L1/D=0.35～0.45通常为提高曲轴整体刚性，中间主轴颈比其余的宽一些，一般取值应低于正常值，但因主轴颈承受载荷比曲轴柄低一半，相对比压要低得多，一般不会有太大影响。

2.1.3曲柄销直径d2

d2越大，可承受扭矩大，发动机功率越大。

但d2增大，则会导致拆卸困难。

d2增大，则曲轴转动惯量越大，易产生共振。

d2增大，若曲臂薄，则易产生应力集中。

d2增大，圆周速度增加，连杆瓦易磨损烧伤。

基于以上原因，高速柴油机的经验数据d2/D=0.60～0.70，汽油机的经验数据

d2/D=0.60～0.65对于发动机应在经验公式范围内，一般取值偏低。

2.1.4曲柄销长度L2

比压要满足P=PzJID2/4d2L2

L2/d2要适当，从理论上L2/d2=0.3时，承载能力最大，但实际中考虑设计紧凑性和其他相关零部件要求，一般L2/d2应在0.5～0.75范围内。

2.1.5曲柄臂的宽度（b）和厚度（h）

由曲柄臂受力﹠=6M/bh来分析，曲柄臂厚h尽可能大一些，以降低﹠，一般经验h/D=0.24～0.33，而宽度b相对影响小一些，但也适当大些，以降低﹠。

最后确定的曲轴各主要部分的参数如表2.1所示：

发动机种类

主轴颈

连杆轴颈

曲柄臂

轴颈过渡圆角r/D

直径d1/D

长度L1/D

直径d2/D

长度L2/D

厚度h/D

汽油机

0.65～0.75

0.35～0.45

0.60～0.65

0.35～0.45

0.20～0.25

0.045

柴油机

0.67～0.80

0.40～0.45

0.60～0.70

0.35～0.45

0.24～0.27

0.045

表2.1曲轴各相对尺寸（与缸径D的比值）

然后，根据汽车工程手册，确定各尺寸参数之间的关系。

此时需要注意：

多缸机四缸机曲轴各连杆轴颈等长，而各主轴颈则不一定等长。

但只要轴承的承载能力允许，仍宜采用等缸距，即中间几个主轴颈等长，本设计即采用的是等缸距。

因为主轴径等长便于采用内铣等先进的加工方法。

主轴颈直径d1一般都比连杆轴颈直径d2稍微大一些，一般d1=（1.05～1.25）d2。

从滑动轴承形成的承压油膜的条件考虑，四缸机曲轴长径比L/d以0.4为佳（L为轴承的有效宽度）。

四缸机曲轴的重叠度△=（d1+d2）/2–R（R为曲柄半径），如果主轴径和连杆轴颈不重叠，△值为负值。

另外需要说明的是，对于直列四缸发动机，汽缸的直径D取值有一定范围,一般情况下取70～110mm，直列四缸柴油机的功率输出较大，，但不会超出太多。

第3章四缸机曲轴模型二次开发驱动原理

3.1二次开发技术的研究

3.1.1二次开发的策略

目前二次开发的策略主要有三种:

根据一定的开发环境与工具对平台中CAD/CAM软件库中的各种CAD/CAM软件进行开发。

①通用、标准的二次开发内容，应该由国家行业统一组织开发，或由有能力的大企业集团、软件公司作为商品开发，将来可以上市场，便于企业选用，防止重复开发。

②过去已开发的成果要推广。

有问题的要组织解决，防止重复开发并通过开发逐渐完善各种标准。

基于一定的CAD/CAM系统支持环境及所提供的开发环境与工具对平台CAD/CAM软件库中要求的某些类零件进行开发。

而部分功能零件直接或间接利用平台中提供的能。

利用这种策略开发人员无需一切从头开始，综合应用软件重用技术与思想和方法进行开发。

本文研究开发采用的是最后一种开发策略[2]。

3.1.2设计计算系统开发工具的选择

VisualBasic是Microsoft公司于1991年推出的Windows应用程序开发工具，从根本上改变了传统的程序设计模式，大大简化了应用程序设计。

VisualBasic采用面向事件和面向对象的程序设计机制，是一种进化了的程序设计系统。

它改变了以往的程序设计环境，使程序员只需要花很少的时间来编写程序界面，而把更多的时间集中在要解决的问题上。

基于VisualBasic所开发的模块属于外挂式模块。

VB开发可以充分利用宏记录功能。

并且使用VB创建窗体方便，很容易编制出直观、友好的程序界面。

而且，用VB进行二次开发调试比较容易、开发周期相对于VC开发短。

但是，VB开发的exe程序与SolidWorks结合不如VC++开发的DLL插件模块结合紧密，相比之下运行速度较慢。

但是用VB编写程序更容易，开发界面直观，并且提供了大量的ActiveX控件支持，减轻了程序员的开发负担[3]。

综合上述因素，论文采用VB进行二次开发。

3.1.3三维建模系统开发工具的选择

就目前国内状况而言，大多数CAD二次开发都是以AutoCAD基础，但Aut0CAD有许多不足地方，如它的三维建模手段弱。

UG、Pro/E、CATIA大型软件尽管提供了VC++的开发方法和接口，但开发起来比较困难。

SolidWorks是一套基于Windows的CAD桌面集成系统,是由美国SolidWor