1 引言

    曲軸是發(fā)動機(jī)中最重要的機(jī)件之一，它的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動機(jī)的整體尺寸和重量，而且還影響著發(fā)動機(jī)的可靠性與使用壽命。目前，對曲軸的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究主要是利用一些CAD平臺的二次開發(fā)工具開發(fā)其設(shè)計(jì)系統(tǒng)，過程復(fù)雜，不易被掌握。利用國產(chǎn)三維CAD/CAM軟件SINOVATION的設(shè)計(jì)導(dǎo)航工具，采用簡單的網(wǎng)頁制作方法，開發(fā)出了曲軸設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)。研究對實(shí)現(xiàn)曲軸設(shè)計(jì)知識重用、提高其設(shè)計(jì)效率具有重要意義。

2 曲軸設(shè)計(jì)內(nèi)容

    2.1 工作條件、結(jié)構(gòu)型式及材料選擇

    曲軸工作條件比較惡劣，它既受到彎曲應(yīng)力，又受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。由曲軸破壞統(tǒng)計(jì)分析得知，80%左右的曲軸破壞是由彎曲疲勞引起的。曲軸按結(jié)構(gòu)型式分為整體式和組合式。選擇曲軸材料時(shí)，在保證曲軸有足夠強(qiáng)度的前提下，盡可能采用一般材料，以鑄代鍛，以鐵代鋼，一般采用球墨鑄鐵。

    2.2 曲軸結(jié)構(gòu)尺寸分析

    曲軸的完整結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由曲拐、平衡重、前后端及油孔組成，曲拐又包括曲柄臂、主軸頸和連桿軸頸。在曲軸設(shè)計(jì)中，主要是曲拐及平衡重的設(shè)計(jì)。

1.前端2.曲拐3.后端4.平衡重5油孔

圖1 曲軸模型圖

    2.2.1 曲拐設(shè)計(jì)

    非增壓直列式汽油發(fā)動機(jī)曲拐主要尺寸，如圖2所示。包括主軸頸直徑D1和長度L1、連桿軸頸直徑D2和長度L2、曲柄臂厚度h和寬度b，這些參數(shù)一般根據(jù)氣缸缸徑D確定，如表1所示。

圖2 曲拐主要尺寸

表1 曲軸主要尺寸比例

    2.2.2 平衡重設(shè)計(jì)

    曲軸的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)由各曲拐的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量組成，它不但要求靜平衡，而且還要?jiǎng)悠胶狻ｌo平衡就是質(zhì)量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力合力等于0，即系統(tǒng)重心位于旋轉(zhuǎn)軸線上。動平衡指當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)不但離心力合力等于0，而且合力矩也等于0。

    2.3 曲軸設(shè)計(jì)計(jì)算校核

    曲軸疲勞強(qiáng)度損壞分為兩種：彎曲疲勞破壞和扭轉(zhuǎn)疲勞破壞。彎曲疲勞裂紋產(chǎn)生于圓角處，然后向曲柄臂擴(kuò)展。扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋是由于加工不良的油孔或圓角導(dǎo)致。內(nèi)燃機(jī)扭矩、扭振的計(jì)算和測量方法比較成熟，只要扭振減振器不發(fā)生故障，通常不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)疲勞破壞。相反，曲軸的彎曲應(yīng)力難于精確計(jì)算，而且軸承磨損后會產(chǎn)生很大的附加彎曲應(yīng)力。因此，曲軸產(chǎn)生的彎曲疲勞破壞遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于扭轉(zhuǎn)疲勞破壞。所以在曲軸計(jì)算校核中一般只考慮彎曲疲勞的影響。曲軸的疲勞強(qiáng)度計(jì)算分為兩步：(1)應(yīng)力計(jì)算即求出曲軸危險(xiǎn)部位的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力。(2)安全系數(shù)計(jì)算，在(1)的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)安全系數(shù)來確定曲軸是否滿足要求。

3 曲軸設(shè)計(jì)流程的建立

    根據(jù)對曲軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的分析，以及對曲軸設(shè)計(jì)計(jì)算校核方法的研究，總結(jié)出曲軸設(shè)計(jì)過程如下：

    (1)在已知缸徑D的情況下，根據(jù)表1計(jì)算出曲拐初步尺寸。

    (2)根據(jù)曲軸平衡性的分析和平衡重的布置方法，運(yùn)用軟件功能直接測量重心坐標(biāo)及重量，確定平衡重的主要尺寸大小。

    (3)在確定曲拐和平衡重的初步尺寸后，對其進(jìn)行校核，檢驗(yàn)其是否滿足設(shè)計(jì)要求。首先，利用曲拐和平衡重的初步尺寸數(shù)據(jù)，計(jì)算曲軸所受總驅(qū)動力，其次，計(jì)算曲軸所受支反力和彎矩，然后計(jì)算圓角名義應(yīng)力、圓角形狀系數(shù)，最后，計(jì)算出安全系數(shù)并驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求。若安全系數(shù)達(dá)到要求，則繼續(xù)下一步驟；若未達(dá)到要求，則更改曲拐和平衡重的尺寸直到滿足要求。

    (4)計(jì)算曲軸前后端和油孔尺寸。

    (5)完成整個(gè)曲軸設(shè)計(jì)后，利用軟件直接出工程圖。

    根據(jù)以上對曲軸設(shè)計(jì)過程的分析和整理，繪制出曲軸設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

圖3 曲軸設(shè)計(jì)流程圖

4 曲軸設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)

    4.1 設(shè)計(jì)導(dǎo)航功能

    設(shè)計(jì)導(dǎo)航功能是指根據(jù)HTML記述的文檔，通過JavaScript腳本語言控制SINOVATION，進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)計(jì)，如圖4所示。利用導(dǎo)航功能，可以根據(jù)導(dǎo)航文檔按步驟實(shí)時(shí)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了由外部軟件對三維設(shè)計(jì)軟件SINOVATION進(jìn)行操作，提高了設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)導(dǎo)航工具Navigator(簡稱NAVI)是獨(dú)立于SINOVATION之外的程序，它能夠讀取HTML文檔、由外部控制SINOVATION，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)導(dǎo)航功能。NAVI中包括NavigationView模塊，它由IE組件、腳本用的公開類和SINOVATION控制模塊三部分組成，如圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)導(dǎo)航

圖5 NAVI與SINOVATION的通信

    4.2 導(dǎo)航程序運(yùn)行流程

    設(shè)計(jì)導(dǎo)航在運(yùn)行過程中程序運(yùn)行流程，如圖6所示。具體介紹如下：(1)XML和HTML均是通過NavigationView中IE組件方便地顯示。NAVI界面中的導(dǎo)航欄和操作內(nèi)容區(qū)由NaviDataxml控制。(2)當(dāng)點(diǎn)擊操作內(nèi)容區(qū)相應(yīng)步驟時(shí)，由NaviData.xml鏈接到.html文檔。(3)HTML文檔決定了導(dǎo)航文檔區(qū)顯示內(nèi)容，當(dāng)向?qū)Ш轿臋n區(qū)文本框填寫內(nèi)容或點(diǎn)擊按鈕時(shí)，會讀取HTML文檔。(4)在向?qū)Ш轿臋n區(qū)文本框填寫內(nèi)容或點(diǎn)擊按鈕等操作之后，HTML文檔調(diào)用JavaScript控制腳本的相應(yīng)函數(shù)。(5)JavaScript控制腳本是根據(jù)NavigationView中腳本用的公開類所編寫。(6)最后通過NavigationView中SINOVATION控制模塊，實(shí)現(xiàn)對軟件的控制，包括更改參數(shù)、調(diào)用操作等。

圖6 設(shè)計(jì)導(dǎo)航程序運(yùn)行流程圖

    4.3 設(shè)計(jì)導(dǎo)航文檔的制作

    設(shè)計(jì)導(dǎo)航文檔的制作主要包括兩部分：一是以XML形式記述索引文件NaviDataxml，另—個(gè)是以HTML形式記述設(shè)計(jì)導(dǎo)航內(nèi)容。如圖7所示，NAVI界面主要包括標(biāo)題欄1、導(dǎo)航欄2、操作內(nèi)容區(qū)3及導(dǎo)航文檔區(qū)4四部分。其中，1、2、3是由NaviData xml控制，4由HTML記述的文檔控制。曲軸設(shè)計(jì)導(dǎo)航文檔主要包括系統(tǒng)登陸、模型打開、菜單選擇、表的彈出等功能，如圖8～圖11所示。利用JavaScript語言編寫控制腳本，實(shí)現(xiàn)消息提示、調(diào)用命令、更改模型參數(shù)等功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)文檔與三維軟件操作的同步進(jìn)行，如圖12～圖14所示。

1.標(biāo)題欄2.導(dǎo)航欄3.操作內(nèi)容區(qū)4.導(dǎo)航文檔區(qū)

圖7 NAVI界面

圖8 系統(tǒng)登陸

圖9 模型打開

圖10 菜單選擇

圖11 表的彈出

    4.4 JavaScript控制腳本的編碼

圖12 消息提示

圖13 更改模型參數(shù)

圖14 調(diào)用SINOVATION命令

5 結(jié)束語

    隨著機(jī)械行業(yè)激烈的競爭，企業(yè)競相追求高質(zhì)量和效率、低缺陷和錯(cuò)誤，產(chǎn)品設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)逐漸向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，并且汽車行業(yè)對發(fā)動機(jī)的要求也越來越高，曲軸作為發(fā)動機(jī)主要零件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率要求逐步提高。通過對SINOVATION設(shè)計(jì)導(dǎo)航功能及曲軸設(shè)計(jì)流程的分析研究，成功開發(fā)出曲軸設(shè)計(jì)導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了曲軸設(shè)計(jì)知識積累和重用，提高了其設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。 

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