CAD／CAE／CAM技术在曲轴设计制造中的应用

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随着机械工业的发展，市澈争对厂家的压力越来越大，用户对产品各方面的要求越来越高。因此必须采用先进的设计及制造技术才可以满足行业的发展。上世纪末，由于计算机技术与机械设计和制造技术的互相渗透和结合，产生了计算机辅助设计与辅助制造。曲轴是机械中最重要的零件之-，同时也是价格较昂贵的零件之-，曲轴的强度、刚度能直接决定机械产品本身的性能，强度足够、重量适中的曲轴无疑是保障机器正常运行的条件。曲轴设计是否可靠，对机器的使用寿命有很大的影响。

1 基于 CAXA实体设计软件的曲轴三维模型CAXA实体设计是-套解决机械产品概念设计、总体设计、零件设计、虚拟装配与设计验证、产品的虚拟展示与评价(真实效果渲染与动画模拟仿真)、二维工程图生成的-体化软件。它既能合理有效地记录整个模型的建模过程，也可让用户随意修改及传达模型建构的设计理念，可以随时改变模型尺寸，更新并永远保持最正确的设计。另外，该软件系统 自带的设计元素库为三维模型的建立提供了很大的方便[1]。

本文根据曲轴的自身特点，利用元素库中的圆柱体”图素，运用三维球这-独有工具完成曲轴实体模型的构建，如图 1所示。该曲轴共有 2个连杆轴颈和 3个主轴颈，其主要尺寸参数如下：连杆轴颈直径为035 mm和 035 mm；主轴颈直径为035 mm、035 mm和030 mm。曲轴总长 0380 mm，材料为 QT700-2，其屈服极限为 420 MPa，弹性模量为 169 GPa，泊松 比为0.305，密度为 7 090 kg/m ，抗剪模量为 64.7 GPa。

2 基于 ANSYS的三维有限元分析有限元建模采用三维模型，边界条件及载荷都尽量逼近实际工况。在对曲轴实体建模过程中，根据以往其他学者在机械结构模态计算方面 的经验，认 为小圆角和细油孔对曲轴整体结构动力学影响很小，故忽略半径小于 5 mm 的圆角和直径小于 O12 mm 的油道～上 述 已经 建 立 好 的模 型，通 过 File-[Import]-[IGES]导入 ANSYS进行分析 ]。

为了便于对曲轴上不同部位按要求划分网格，采用布尔操作将各部分几何体连接为-个整体。曲轴上的连杆轴颈和主轴颈采用六面体单元，其他部分采用角锥的自由网格划分。由于采用了三维 8节点的单元，可以利用更复杂的形状函数，计算精度相对较高，更接近于实际。综合考虑计算精度和计算工作量划分网格，得到节点个数为32 419，单元个数为49 362。最终得到的曲轴有限元网格模型如图2所示。

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数L3]。曲轴在周期性变化的动载荷作用下很有可能在高速旋转时发生强烈共振，动应力急剧增大，致使其过早地出现疲劳破坏，普通的静力设计和经收稿日期：2012-11-05；修回日期；2012-12-05作者简介：李华雷 (1987-)，男，山西临汾人，在读硕士研究生，研究方向：机械电子工程。

· 42 · 机 械 工 程 与 自 动 化 2013年第 2期力都将减校这说明非对称直齿圆锥齿轮啮合侧压力角对大、小端接触应力均有影响，但由于常规直齿圆锥齿轮压力角多为 2O。，故在此基础上增大啮合侧压力角，可降低接触应力，但幅值有限。

表 2 齿轮大、小端面处等效接触应力计算结果啮合侧压力角(。) 小端等效接触应力(MPa) 大端等效接触应力(MPa)15 897.205 715.1O20 878.983 615.2125 872.272 605.0730 862.710 598.293.2 齿面接 触线上应力分布的分析为了更加全面地分析、研究啮合侧压力角对齿面等效接触应力分布状况的影响规律及程度，图 5显示了非对称直齿圆锥齿轮沿齿面接触线的等效接触应力分布情况。

各相应节点上的应力值；而其他 3组曲线彼此靠得较近，说明对于这 3类非对称圆锥齿轮，齿面接触线上各对应节点间的等效接触应力值保持在同-水平上。

由以上所述可知：适当增大啮合侧压力角可以降低齿面等效接触应力，进而提高齿面抗点蚀能力。但由于目前得到广泛应用的直齿圆锥齿轮压力角为2O。，故在此基础上继续增大啮合侧压力角，齿面等效接触应力的降低幅度并不显著。

4 结语本文将非对称双压力角齿廓齿轮的思想应用于8”字 啮合 渐开线直齿 圆锥齿轮 的设计 中，利用ANSYS软件自带的建模工具建立了在节线啮合的非对称直齿圆锥齿轮单齿有限元模型；借助该软件的非线性接触分析拈，研究了啮合侧压力角对接触应力的影响。