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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