曲轴圆角滚压机床曲轴夹持机构参数探讨

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Study on Parameters of Crankshaft Clamp Framework 011 theCrankshaft Fillet Rolling MachineWEI Yunping ，CHEN Xiaohui ，HAN Shaun ，NIU Wenqiang ，ZENG Fancong(1.Qinghai No.2 Machine Tool Manufacture Co.，Ltd.，Xining Qinghai 810021，China；2.Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070。China)Abstract：The contact finite element model of clampamework was built in large universal finite element software ANSYS ac-cording to Hertz contact theory，to solve the slip failure between clamp kamework and crankshaft in the crankshaft filet roling process，the influence of clampamework surface contour to the clamp force between chuck and crankshaft was analyzed.The results show that：the radius of clampamework is the primary factor which influences the clamp force between crankshaft and chuck.After optimizationof it，the force is more than twice larger than before。

Keywords：Crankshaft fillet rolling；Clamp fram ework；Optimization；Clamp force曲轴是发动机中负荷最重的零件之-，在发动机运行过程当中，曲轴会承受巨大的交变载荷，并且由于形状和结构的高度复杂性，曲轴存在较为严重的应力集中现象。基于上述问题，曲轴的主要破坏形式为金属疲劳破坏，破坏主要发生在主轴颈和曲拐、连杆颈和曲拐的过渡圆角处。曲轴加工的最后-道工序是对曲轴过渡圆角部位进行滚压强化，可以有效提高曲轴的疲劳强度 。但是，在曲轴滚压过程中，因为滚压力过大，曲轴所受夹紧力相对不足，曲轴和液压浮动卡盘之间存在相对滑动现象，这不仅严重影响了曲轴滚压效果，甚至将曲轴轴颈表面拉伤，影响曲轴的使用。在曲轴圆角滚压过程当中，夹紧力由曲轴与卡爪之间的摩擦力提供，根据库仑摩擦定律，摩擦力F ：F ×/x， 表示曲轴与夹持机构径向接触力，表示两者之间的摩擦因数， 或者 过小都可能导致两者之间摩擦力过校在卡盘卡爪轮廓内表面开轴向槽可以避免两者表面静压油膜的产生，从而避免两者之间摩擦因数过小，作者主要论述在曲轴受力夹紧情况下，卡爪轮廓对曲轴和卡爪之间径向接触力的影响 。

对于这-问题的研究相对较少，2006年，周到等人 将鱼雷与夹紧爪的模型简化成平面应变模型，对其进行分析并以鱼雷壳体承载面中心点应力满足安全性要求为目标，对夹紧爪截面形状进行优化设计；通过优化设计，改善了鱼雷壳体受力情况、减楔爪尺寸。2007年，姜静等人 建立了液压冲击试验台夹紧机构有限元接触模型，对接触单元的表面接触应力进行数学积分，得到夹紧横梁所能提供的夹紧力，验证其是否满足使用要求。

作者基于Hertz接触理论，建立了夹持机构有限元模型，探讨夹持机构结构参数对夹持力的影响，从而为夹持机构的改进提供了理论基矗1 夹紧机构有限元分析1.1 三维有限元模型的建立曲轴圆角滚压机床滚压过程中要同时实现工件的轴向定心和端面定位 ，夹紧机构选用德 国 ROHM公司的KFE杠杆式液压浮动卡盘，液压浮动卡盘首先实现曲轴的端面定位，然后利用卡爪的浮动实现曲轴收稿 日期：2012-06-O1基金项目：工业及信息化部国家重大专项 (2011ZX4002-021)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (2011-W-019)作者简介：魏云平 (1976-)，女，硕士研究生，工程师 ，研究方向为机电-体化。E-mail：weiyunping###21en.con。

· 6· 机床与液压 第41卷接触面最大应力没有超过材料的许用应力，而接触面径向接触力会有-个较大的提高，从而提高接触面摩擦力，防止接触面打滑。

图5 接触面最大应力变化图图6 接触面径向接触力变化图2 卡爪的优化设计2.1 优化模型的数学描述对于任何-个优化问题，都可以描述如下：在满足给定的约束条件下，选认适的设计变量序列，使其目标函数达到最优 。

其数学表达式为： [ l， 2，， ]I厂( )-min(max)Qh ( )0 k1，2，，lgj(x)I>0 1，2，，m式中： [ 。， ，， r表示设计变量；f( )-min(max)表示目标函数 ；h ( )0(k1，2，，Z)、g ( )I>0( 1，2，，m)表示约束条件。

优化模型的创建包括设计变量、约束条件和目标函数的选韧塑造。

设计变量用于描述并确定卡爪的结构尺寸，卡爪的尺寸包括卡爪圆弧面曲率半径 r，卡爪的长度 a、宽度b、高度h以及卡爪圆弧面所开槽的尺寸以及数量，其中a30 mm，b10 mm，h25 mm，开槽的数量为3，给定每个槽固定的尺寸和位置，这样，将卡爪圆浑径r作为设计变量，数学表述为： [r]T式中：r表示卡爪圆弧直径， 是由设计变量组成的向量。

在工程当中，根据约束的性质可以将约束分为性能约束和边界约束两大类。针对性能要求而提出的限制条件称为性能约束，例如，某些结构必须满足强度、刚度或稳定性等要求，在这里，选择卡爪和曲轴在受力状态下处于弹性变形作为性能约束。只对设计变量的取值范围加以限制的约束称为边界约束，在这里，限制卡爪圆浑径减去曲轴轴颈半径的绝对值不超过1 mm。数学表达式为：or ≤ 0.8o-p式中：or 表示所有节点的最大应力值； 。为材料的弹性极限。

为了解决曲轴滚压过程中卡盘和曲轴的滑动问题，曲轴和卡爪之间需要足够大的摩擦力，摩擦力的大小与接触面的材料、粗糙度、润滑情况、相互之间的正压力有关，材料、润滑情况和表面粗糙度会影响卡爪和曲轴之间的摩擦因数，摩擦力等于摩擦因数乘以相互间正压力。在这里，忽略材料、粗糙度、润滑情况等对摩擦因数的影响，假设摩擦因数是-个定值，将它们相互之间的正压力最大作为优化目标，将卡爪接触表面所有节点的径 向应力的和作为优化函数 ，数学表达式为：n∑o'ifl -maxil式中：n为卡爪接触表面单元数量； 表示第 i个单元的径向应力；A 表示第 i个单元的面积。

2.2 有限元优化结果选取不同尺寸和材料的曲轴，对其相应的卡爪曲率半径进行优化。曲轴材料选45号钢和球墨铸铁，这是国内曲轴常见的两种材料，曲轴法兰端半径在30～70 mm内变化，大多数曲轴法兰端尺寸都在这-范围内变化。通过-系列的分析，得到不同材料、不同尺寸下，卡爪曲率半径的最优值，如表1 所示。表 1为材料是球墨铸铁时得到的优化结果 ，表 2为材料是 45号钢时得到的优化结果 ，R表示曲轴法兰端半径，r表示优化后卡爪半径最优值，AR R -r第 l4期 魏云平 等：曲轴圆角滚压机床曲轴夹持机构参数探讨 ·7·表 1 材料为球墨铸铁类材料卡爪优化结果 mm根据上述两表所示，优化后卡爪半径最优值比其对应曲轴法兰端半径小，并且随着卡爪半径 r的增大，△ 逐渐增大，并且球墨铸铁和45号钢优化结果近似。

表 3 不同尺寸段 AR取值范围 mm计算表明：经上述优化后的卡爪，与曲轴之间的摩擦力能够提高-倍以上，能够较好地解决滚压过程中的打滑现象。以国产某型曲轴为例，优化前，曲轴所受夹紧力为36 402 N，优化之后，夹紧力为79 163N。

3 结论(1)建立夹持机构有限元接触模型，对夹持机构结构参数进行探讨，研究夹持机构结构参数对曲轴所受夹紧力的影响。分析显示，卡爪轮廓曲率半径是影响曲轴所受夹紧力的主要因素。

(2)建立夹持机构夹紧力优化模型，以曲轴所受夹紧力最大为优化目标，对卡爪圆弧面曲率半径进行优化，优化后的卡爪能够有效地增大曲轴所受夹紧力。