桑塔纳2000发动机的曲轴设计

韩　林，杨合利

桑塔纳2000发动机的曲轴设计

韩林，杨合利

（德州学院 汽车工程学院，山东 德州253000）

桑塔纳汽车发动机曲轴的特殊化设计为该汽车品牌提供了核心竞争力。文章采用计算机辅助技术，对该型号曲轴进行三维建模，通过设定相应的边界条件，对模型特性进行约束，确定了发动机的设计参数。对模型进行静力学和动力学分析，获得了相应的机械特性。

桑塔纳；发动机曲轴；三维建模；动力学分析

汽车设计制造业正飞速发展，曲轴是汽车的核心部件，也成为汽车行业的核心竞争力。桑塔纳汽车是著名品牌汽车，其在曲轴的设计与制造方面具有先进的技术。目前曲轴的加工工艺主要是高速度、高效率的复合式加工技术，且成为流水线生产，可以完成大批量、精加工的生产任务。发动机曲轴的结构尺寸、重量、结构合理性对发动机的整体性能影响较大，曲轴的手工绘图与设计过程相当复杂，经历周期较长，工作量较大。目前，一些基于计算机软件的曲轴设计正在飞速发展，计算机辅助设计技术可以通过设定的边界条件智能的调整曲轴结构尺寸。另外每改变一次尺寸，计算机可以计算全部公式，将求得的结果进行比较。文章基于计算机辅助设计的思想，对桑塔纳2000的发动机曲轴进行三维实体建模，根据设定的边界条件，对曲轴施加约束，求解出满足条件的最优设计。文章的设计思想可以为车辆、机床等机械结构设计提供参考依据，对计算机辅助设计的实际应用提供支持。

1　桑塔纳2000曲轴结构设计计算

（1）曲轴的三维结构建模。结构设计的优点在于，只需要知道大概结构和尺寸，不需要精确的了解每一道尺寸。在这种情况下，我们对桑塔纳2000的发动机曲轴进行三维建模。实验证明，零件在计算机辅助设计过程中，需要的初始几何层次越高，设计者越容易获得大量的信息而方便了设计过程，简化了设计步骤。但是基于这样的结构设计会丧失一定的通用性，在计算机辅助设计中，我们会形成特定的数据库系统，一些通用的零件可以通过直接调用的方法获得。三维实体建模可以通过基本指令建立复杂模型，也可以通过调用数据库来形成复杂三维模型。对于曲轴的一些基本设计参数包括：设计转速、连杆的轴颈直径、主轴的轴颈直径、连杆比、活塞直径、曲柄半径、连杆的中心距；材料参数主要包括：抗拉强度极限、弹性模量、泊松比等。基于上面的分析，在PRO/E环境下进行三维实体设计，设计参数如表1所示。

表1　实体建模参数设计

模型建立工程中需要对一些部分进行简化和抽象。曲轴的结构较为复杂，但是大致可以分为几个部分：连杆、曲柄、一些辅助垫片等，可以忽略一下油孔等结构。基于上面的分析，利用三维软件绘制曲轴三维实体模型如图1所示。

图1　发动机曲轴的三维模型

（2）曲轴设计的必要计算。曲轴不断重复的负载下工作，受到气体等复杂的惯性力的作用，曲轴受到的最重要的破坏因素是弯曲载荷。外部加载在曲轴的弯曲载荷计算公式为：

曲轴所受到的最大膨胀和压缩载荷分别为各个计算公式的代数求和。假设外部载荷沿着连杆轴颈方向和主动轴线的方向呈现正弦的变化规律，设计的公式具体如下：

压力载荷分布曲线函数为：

Z=Ax2+Bx+c

设定边界条件为x=0，z=q1，x=-L，Z=0。设定沿着圆周方向的压力公式为：

根据力的分布公式，可以求得曲轴上每个节点矢量力矩，每个点的力分配到一般节点上，可以实现对整个节点的力的约束。

2　曲轴三维模型分析

（1）曲轴基本参数特征。曲轴的基本结构可知，零部件的参数中可以提取驱动曲轴的设计参数。参数的设计包括全局变量和局部变量两种，合理的全局变量和局部变量可以为结构设计提供方便，而这些变量的选择也会成为尺寸设计和表达方法设计的关键部分。汽车发动机的曲轴设计中，零件的位置关系包括曲柄转动范围和曲轴的长度，轴颈的数量等。另外曲柄的连接形状可以直接或间接的影响全局变量，但是对其他的局部变量没有影响。

当在曲轴的轴承处施加一定的载荷时，约束施加的准确与合理性将对静力学与动力学分析产生较大的影响上面对曲轴施加的设计计算量会产生不同的结果。约束施加的地方可以转化成相应的边界条件，而计算机辅助设计的优点就是减小了设计中的复杂计算。通过忽略一些次要因素，曲轴的整体模型可以得到简化，计算的结果可以是整体的结构优化，局部变量之间得到平衡。

（2）曲轴静力学与动力学分析。在PRO/E的制造环境中，通过设定材料属性、约束情况、受载情况，建立静力学分析和动力学分析，观察曲轴的静力学特性和静力学特性。这里由于涉及的曲轴的一个曲柄，所以对于传动只是通过一个曲柄实现，曲柄的主要受力点曲柄的侧面。加载后运行力学分析，得到曲轴的力学分析图如图2所示。

从静力学和动力学分析可以看出，曲轴的应力集中部分为曲柄的底部，并和材料的疲劳强度有关。该曲轴设计的材料为40Cr，该材料具有较高的塑形可以抵抗较大的变形，对于曲轴来说，耐用度是一项重要的指标，所以应该经过疲劳断裂的检测。从受力分析来看，当曲轴收缩到最严重的破坏状态时，并没有发生断裂或者其他的破坏状态。这说明该设计的曲轴可以满足条件。通过检测手里的数值，可以发现数值通过材料的疲劳断裂极限，说明上述材料的设计参数满足条件可以使用，且力分析结果满足使用要求。

图2　发动机曲轴的力学分析图

3　结语

利用三维设计软件进行曲轴的设计或优化处理，可以减少大量复杂的计算，并且结算速度快，计算准确度高。汽车专用曲轴的设计，采用三维结构模型，假设约束条件，可以快速有效地完成设计。专用曲轴更适合参数化设计，考虑受载荷的特殊性和专用化，实现特定的需要。文章针对桑塔纳2000发动机曲轴的设计思路可以为类似研究提供参考。

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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

韩林（1994-），女，山东菏泽人，大学本科，主要研究方向：汽车运用。