康明斯柴油机气门摇臂的结构分析.doc
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1、全套设计(图纸)加扣扣 194535455摘要在凸轮轴式配气机构的汽车发动机中,气门摇臂是很重要的零部件之一,控制着进、排气门的开闭。它由凸轮轴通过挺柱、推杆或直接与凸轮轴型线接触带动其摇转,通过杠杆作用将动力传递至气门,从而控制气门的开闭。在发动机稳定工作的状况下,气门摇臂的工作环境非常糟糕。摇臂一直在承受着比较大的脉冲负荷下高频运动,始终与凸轮在持续的冲击负荷下保持摩擦接触,这种摩擦接触使得发动机的效率下降。根据上述气门摇臂工作条件,凸轮轴发动机要求摇臂具有耐磨性好、刚度大、强度高、重量轻和摩擦因数小等许多特性,所以整体式结构和单种材料难于满足上述要求。当前国内外技术人员对发动机气门摇臂进
2、行了大量研究,主要都是根据以上的相关需求特性进行的。当前气门摇臂的结构样式一般有以下3种:锻钢镀铬摇臂、镶块式摇臂以及滚轮式摇臂。计算机辅助设计技术的快速发展,对汽车行业的产品开发提供了非常快捷的路径,技术人员能快速高效地发现零件设计中的不足,对零件形状及尺寸进行优化,优化零件性能,减轻产品质量,减短产品开发周期,降低开发费用1。本文主要研究内容:1) 使用CATIA软件完成气门摇臂体的三维实体建模;2) 运用FEM软件(ANSYS-Workbench、Hyper works)对摇臂进行静强度分析、模态分析以及疲劳寿命分析。3) 根据分析的结果,优化摇臂结构,并重新进行合理性分析。4) 结合生
3、产实际,对摇臂的进行工艺设计,完成摇臂毛坯的工艺设计。关键词:气门摇臂;结构;有限元;优化;工艺设计AbstractIn the valve-train type automobile engine, the valve rocker arm is one of the important parts, controlling the inlet and exhaust valves open and close. It consists of camshaft by lifter, push rod or direct contact with the CAM shaft type line
4、 drive the rocking-turn, leverage to transfer power to the valve, to control the opening and closing of the valve. Under the condition of the engine work properly, rocker arm working conditions are very bad. Rocker arm is always under larger under high frequency pulse load swing, between it and the
5、CAM is always in constant friction under impact load. Valve rocker arm and camshaft friction to loss of energy, reduce engine efficiency.According to the working conditions of the valve rocker arm, overhead camshaft engine rocker arm with good abrasion resistance, high rigidity, high strength, light
6、 weight and low friction factor and many other features, so the integral structure and single kind of material is difficult to meet the above requirements. Valve rocker arm engines at home and abroad by a number of studies are generally revolve around the above three aspects. Currently adopted by th
7、e structure of the form mainly has three kinds, namely the chromium plating forged steel rocker, rocker panel board type and roller rocker arm.With the rapid development of computer aided design technology, the development of auto products provides an extremely convenient way. Through this design ap
8、proach, designers can timely and effectively discover a defect in a product design, optimize the product shape and size, optimization of product performance, reduce product quality, shorten the development cycle, reduce development costs1.In this paper, the main research contents: 1) the use of CATI
9、A software to complete the valve rocker arm body 3 d entity modeling; 2) using finite element software ANSYS Workbench, Hyper works) on radial static strength analysis and modal analysis and fatigue life analysis; 3) according to the result of analysis, optimize the structure of the rocker, and rati
10、onality analysis; 4) combining with production practice, the rocker arm for IIIprocess design, complete technical design of the beam blank.Keywords: Rocker arm; Structure; Finite element; Optimization; Process design目录摘要IAbstractII第一章 概论11.1 课题研究的背景11.1.1 课题研究的意义11.1.2 国内外研究现状21.2 课题研究的来源61.3 课题研究的目
11、的61.4 课题研究的内容6第二章 汽车发动机摇臂结构设计82.1 发动机配气机构82.2 气门摇臂结构设计92.2.1 CATIA简介92.2.2 模型创建9第三章 摇臂结构的有限元分析113.1 有限元基本知识123.1.1 有限元法介绍123.1.2 有限元分析过程133.2 有限元分析软件概述153.2.1 HyperMesh软件简介153.2.2 ANSYSWorkbench软件简介163.2.3 有限元软件分析步骤173.3 摇臂结构的有限元静力学分析183.3.1 摇臂受力分析183.3.2 摇臂材料属性定义193.3.3 网格划分193.3.4 施加约束及载荷203.3.5 静
12、力分析结果203.3.6 摇臂结构的改进及分析213.4 摇臂结构的拓扑优化233.4.1 拓扑优化简介233.4.2 拓扑优化步骤243.4.3 基于Optistruct的摇臂结构拓扑优化253.4.4 建造拓扑优化新结构273.5 摇臂结构的疲劳分析273.5.1 疲劳分析简介273.5.2 疲劳载荷类型283.5.3 疲劳极限与S-N曲线283.5.4 影响疲劳极限的因素293.5.5 疲劳分析步骤293.5.6 Ansys-workbench摇臂结构疲劳分析303.6 摇臂结构的模态分析333.6.1 模态分析简介333.6.2 模态分析步骤343.6.3 Ansys-workbenc
13、h摇臂结构模态分析343.7 与成品摇臂分析数据对比36第四章 摇臂的机械制造工艺设计404.1 机械制造的概述404.2 机械加工工艺基本步骤404.3 摇臂的工艺分析和生产类型的确定414.3.1 工艺分析414.3.2 确定生产类型414.4 选择加工方法和制定工艺路线424.4.1 定位基准的选择424.4.2 重要表面加工方法的确定434.4.3 制定工艺路线444.4.4 刀具与量具的选用46结论48参考文献49致谢50VI第一章 概论19世纪80年代,英国工业革命的发展,促使了世界首辆汽车现世。从此,汽车工业正式从无到有,并且逐步走上了正规化道路。随着科技的不断进步,汽车工业也如
14、火如荼的飞速发展。至今,汽车产业已然成为一个国家的重要国民经济产业,还是国家经济实力发达和国力强盛的重要标志。伴随着时代的进步,汽车产业的发展已经遍布全球,各式各样的汽车在人们的生活中扮演着各种不同的角色。现如今,我国一般居民大部分都有能力购买和使用汽车,促进居民消费水平的提升,同时也满足了国内汽车市场的消费需求,从而进一步带动了我们国家汽车工业的快速发展。现如今,我国已成为全球汽车保有量最多的国家,一跃成为全球汽车生产大国。但随着汽车的产量不断增加,附带的一些负面影响也逐渐凸显,能源耗费、空气污染、交通阻滞、人身安全等问题逐渐引起人们的重视,安全、节能、环保已然成为汽车行业可持续发展所急需解
15、决的主要问题。如今,新能源汽车已经成为汽车研究的重要方向,虽然市场上已经有出售的新能源汽车,但其核心技术仍然没有得到重大突破,而且制造成本高,导致目前还得不到推广。当下,仍然是传统的内燃机汽车占据着汽车生产的主导地位。在保证汽车使用可靠性的前提下,减轻其整体重量,不仅可以节约燃料,而且还能减小对环境的危害,所以结构轻量化是汽车行业需要有所突破的重要方向之一。当前,汽车轻量化技术可以分为2:结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等3个主要方面。其中,结构优化设计方面包括:汽车结构的尺寸优化、形状优化和多学科设计优化;轻量化材料的应用方面包括:高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料等;先进
16、制造工艺方面包括:液压成型和激光焊接等。 本论文主要是通过CATIA三维软件建模,利用CAE有限元分析手段对某款汽车发动机的气门摇臂体结构进行性能模拟分析,并根据分析数据对摇臂结构进行优化,参照生产实际,对摇臂体进行加工工艺设计。1.1 课题研究的背景1.1.1 课题研究的意义目前,汽车发动机一般全都使用气门式的配气机构,配气机构是汽车发动机两大机构之一,控制着进、排气门的开闭,气门摇臂是发动机中不可或缺的重要零件之一。发动机在工作时,摇臂始终与凸轮轴间接或直接保持接触,并在凸轮轮廓的推动下承受着较大的循环变化的载荷。此外,摇臂(按布置情况)始终处于高速接触的摩擦中,这种摩擦和交变载荷不仅损耗
17、了发动机的功率,同时也使得摇臂接触面发生疲劳失效以及疲劳断裂,所以摇臂在结构、材料、性能等方面要求很高。以前的零件设计大部分都是依据以往经验来估算产品的性能,需要在制作成样件后方能进行对应的试验来检验。由于样件在试验的过程中经常报废,所以需要较高的制造费用和较长的设计周期,并且只有通过相互对比,才能大致判断产品设计的是否合理,是否达到最优化设计。现如今采用概念设计,在摇臂承受一定载荷冲击的情况下首先要保证其强度和刚度满足条件要求,再进行合理地去掉不必要的的部位,降低质量,而轻量化设计通常需要对摇臂体的结构进行优化,再分析,甚至再优化。优化设计的思路是充分利用材料的力学特性,合理设计零件结构,并
18、且保证一定的零件使用的安全系数。以上说明,采用计算机辅助工程(Computer Aid Engineering,简称CAE)技术在产品开发前期阶段具有重要意义,也是一种必定的趋势。FEM分析即有限元分析法,基于CAD/CAM/CAE系统核心理论,克服了经典理论的不足,在产品设计领域得到广泛应用,已有很多通用的商品化有限元软件和分析程序,如ANSYS、HyperWorks、AVL Fire软件等。目前,FEM分析已成为一种非常成熟的验证手段3。1.1.2 国内外研究现状1.1.2.1 摇臂体结构在汽车发动机中,由于摇臂的工作条件复杂,使其必须具备相应的工作性能,大致如下:1)对于为摩擦副工作的圆
19、弧面来说要求其具有较好硬度、耐冲击和耐磨性,以及较低的摩擦系数,以减小能量消耗;2)摇臂整体应有较高的刚度,强度、较长的疲劳寿命以及较小的转动惯量;3)轴孔处有较好耐磨性。锻钢镀铬摇臂、镶块式摇臂和滚轮式摇臂是目前主要采用的三种结构形式,国内外对气门摇臂所做的研究大部分都是针对上述三个方面进行的。锻钢镀铬摇臂早期的一种发动机摇臂,基体材料一般为调质后的锻钢,在圆弧工作表面处进行采用淬火处理,以改善其硬度;进行抛光处理,以改善其接触的摩擦系数;最后镀铬,以加强圆弧面的耐磨性,如图1.1所示。图1.1 汽车发动机锻钢镀铬式摇臂这种锻钢镀铬式摇臂在刚度和疲劳强度上有较好的性能,轴孔处也有较好的耐磨性
20、,但其重量和转动惯量偏大,对发动机的动力性能造成直接的不良影响;而且,圆弧面在工作时容易出现镀铬层掉落情况,磨损情况比较严重。除了表面镀铬这种方式外,还有一种表面处理技术激光表面合金化处理。使用优化的激光工艺参数,对体积小,形状复杂的发动机气门摇臂工作圆弧面采用多道激光扫描进行表面合金化处理,可以获得厚度大、搭接较好、硬度高且均匀的合金化层4。镶块式摇臂镶块式摇臂是根据“组合”原理设计出的产物。根据摇臂的工作条件要求,为摇臂基体和工作圆弧面分别选取两种不同性能特点的材料来分开制造,再通过技术手段将其组合到一起,完全发挥各种材料所具有的性能特点,从而来提高产品使用性能,降低材料的耗费,如图1.2
21、所示。图1.2 汽车发动机镶块式摇臂目前,已经制造出的镶块式摇臂有两种:一种是粉末冶金镶块摇臂,另一种是陶瓷镶块摇臂。早在1977年,日本三菱(MMC)公司就开发出了采用铝合金压铸包容粉末冶金镶块的摇臂,并于20世纪80年代投入了大批量生产使用5。对于耐磨性而言,粉末冶金镶块摇臂比镀铬摇臂要提高了许多,但其质量仍然较重,以致配气机构的轻量化问题并没有完全解决。铝合金陶瓷镶块摇臂可使摇臂和凸轮轴的磨损寿命分别提高6倍和5倍。而铝合金密度小,用做摇臂基体可明显减小配气机构的等效质量。我国492QA型汽油发动机在采用了陶瓷配气机构后,使等效质量明显减轻,气门弹簧预紧力减小,从而在各种工况下可节油2%
22、8%6。滚轮式摇臂滚子接触大部分为线接触,线接触接触面积小,接触应力会立即转移或减小,对接触表面的磨损较小;滑动摩擦大部分为面接触,接触表面接触停留时间较长,接触位置容易产生比较多的热量,长时间会出现烧灼磨损,导致零件容易损坏7,如图1.3所示。图1.3 汽车发动机滚轮式摇臂目前, 滚子摇臂已应用于国内大部分发动机的配气机构之中。由于凸轮轴表面与气门摇臂总成为滚轮的表面线接触,凸轮轴与摇臂之间由滑动摩擦改为滚动摩擦,因此具有以下几个优点:a. 降低摩擦力;b.减少了表面擦伤力;c.重量轻;d.提高耐久性;e.动力性和经济性得到改善;f.有利于发动机的高速化发展8。1.1.2.2 有限元技术应用
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