曲轴圆角滚压机床主传动系统静动态特性分析及优化设计

摘要

曲轴是汽车发动机最核心的零部件之一，负责将发动机连杆传来的力转化成扭矩，从而把发动机的功率传递出去，它的结构参数和加工工艺水平不仅决定了发动机整机的尺寸和重量，还在很大程度上决定着发动机的安全使用寿命和可靠性。
　　 根据多年的分析研究知道，曲轴最主要的失效形式是弯曲疲劳断裂，占曲轴失效总数的95％，断裂主要发生在曲轴轴颈与曲柄的过渡圆角处，研究如何通过提高曲轴过渡圆角处的弯曲疲劳强度来提高曲轴的承载能力和寿命是一项重要的课题。曲轴圆角滚压技术是一种在国外广泛使用的曲轴强化技术，与其他工艺相比，曲轴圆角滚压技术能够较大幅度的提高曲轴的疲劳强度，且适用于任何材料的曲轴。
　　 本文选题于国家重大专项“数控曲轴轴颈圆角滚压与滚压校直装备及其关键技术”，以武汉理工大学、青海第二机床厂自主设计生产的QH2-041型曲轴圆角滚压机床为研究对象，着重研究机床主传动系统的静动态性能，并对其进行优化设计和改进，本文研究的主要内容有:
　　 1.分析机床主轴转速为60r/min、滚压机构滚压力为50KN的情况下，主传动系统的受力情况，包括机床的工作转矩、蜗轮蜗杆之间的啮合力以及机床工作过程中工件作用在主轴上的力。计算结果为机床静动态性能分析提供依据，其中机床的工作转矩、工件与主轴的相互作用力作为静态载荷在机床静态性能分析中进行加载，蜗轮蜗杆啮合力作为激振力在机床动态性能分析中进行加载。
　　 2.机床主传动系统的静动态性能分析，静态性能主要关注主传动系统在外载荷作用下的变形和应力分布情况，动态性能主要关注主传动系统的固有振动特性和在激振力作用下的响应情况。静动态特性分析为系统的优化设计和改进打下基础。
　　 3.主传动系统的优化和改进，以主传动系统支撑箱体的结构尺寸为设计变量，以提高机床力学性能为目标，在Workbench DesignXplorer中对主传动系统进行优化，优化后，结构质量增加448Kg，结构固有振动特性得到提高，系统对外界激励的响应情况明显改善。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 曲轴圆角滚压机床国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容

1．4 小结

第2章 主传动系统三维模型的建立及受力分析

2．1 曲轴圆角滚压机床简介

2．1．1 曲轴圆角滚压的工艺内容

2．1．2 曲轴圆角滚压机床机械系统

2．2 机床三维模型的建立

2．2．1 蜗杆的三维建模

2．2．2 蜗轮的三维建模

2．3 主传动系统受力分析

2．3．1 滚压钳通过工件作用在机床主轴上的力

2．3．2 主轴所受工作转矩

2．3．3 蜗轮蜗杆啮合力

2．4 小结

第3章 主传动系统静力学分析

3．1 有限单元法的基本原理

3．2 主传动系统静力学分析

3．2．1 建立模型

3．2．2 网格划分

3．2．3 施加约束及载荷

3．3．4 计算结果及分析

3．1 小结

第4章 主传动系统动态特性分析

4．1 系统固有振动特性分析

4．1．1 模态分析的基本理论

4．1．2 建立模态分析模型

4．1．3 模态分析结果

4．2 主传动系统瞬态动力学分析

4．2．1 瞬态动力学分析基本理论

4．2．2 建立瞬态动力学分析模型

4．2．3 瞬态动力学分析结果

4．3 小结

第5章 主传动系统优化设计

5．1 优化设计概论

5．1．1 优化设计的基本原理

5．1．2 优化设计的分类

5．1．3 优化设计一般步骤

5．1．4 Workbench Design Explorer模块介绍

5．2 建立优化模型

5．2．1 选取优化参数

5．3．2 在workbench中建立优化模型

5．3 优化分析结果

5．3．1 六西格玛分析分析结果

5．3．2 目标驱动优化分析结果

5．4 优化后系统的动态特性

5．5 小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢