1 引言
曲轴是发动机中最重要的机件之一，它的结构尺寸参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和重量，而且还影响着发动机的可靠性与使用寿命。目前，对曲轴的计算机辅助设计研究主要是利用一些CAD平台的二次开发工具开发其设计系统，过程复杂，不易被掌握。利用国产三维CAD/CAM软件SINOVATION的设计导航工具，采用简单的网页制作方法，开发出了曲轴设计导航系统。研究对实现曲轴设计知识重用、提高其设计效率具有重要意义。
2 曲轴设计内容
2.1 工作条件、结构型式及材料选择
曲轴工作条件比较恶劣，它既受到弯曲应力，又受到扭转应力。由曲轴破坏统计分析得知，80%左右的曲轴破坏是由弯曲疲劳引起的。曲轴按结构型式分为整体式和组合式。选择曲轴材料时，在保证曲轴有足够强度的前提下，尽可能采用一般材料，以铸代锻，以铁代钢，一般采用球墨铸铁。
2.2 曲轴结构尺寸分析
曲轴的完整结构，如图1所示。由曲拐、平衡重、前后端及油孔组成，曲拐又包括曲柄臂、主轴颈和连杆轴颈。在曲轴设计中，主要是曲拐及平衡重的设计。
1.前端2.曲拐3.后端4.平衡重5油孔
图1 曲轴模型图
2.2.1 曲拐设计
非增压直列式汽油发动机曲拐主要尺寸，如图2所示。包括主轴颈直径D1和长度L1、连杆轴颈直径D2和长度L2、曲柄臂厚度h和宽度b，这些参数一般根据气缸缸径D确定，如表1所示。
图2 曲拐主要尺寸
表1 曲轴主要尺寸比例
2.2.2 平衡重设计
曲轴的旋转质量系统由各曲拐的旋转质量组成，它不但要求静平衡，而且还要动平衡。静平衡就是质量系统旋转时离心力合力等于0，即系统重心位于旋转轴线上。动平衡指当系统旋转时不但离心力合力等于0，而且合力矩也等于0。
2.3 曲轴设计计算校核
曲轴疲劳强度损坏分为两种：弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。弯曲疲劳裂纹产生于圆角处，然后向曲柄臂扩展。扭转疲劳裂纹是由于加工不良的油孔或圆角导致。内燃机扭矩、扭振的计算和测量方法比较成熟，只要扭振减振器不发生故障，通常不会出现扭转疲劳破坏。相反，曲轴的弯曲应力难于精确计算，而且轴承磨损后会产生很大的附加弯曲应力。因此，曲轴产生的弯曲疲劳破坏远远多于扭转疲劳破坏。所以在曲轴计算校核中一般只考虑弯曲疲劳的影响。曲轴的疲劳强度计算分为两步：(1)应力计算即求出曲轴危险部位的应力幅和平均应力。(2)安全系数计算，在(1)的基础上进行强度校核，根据安全系数来确定曲轴是否满足要求。
3 曲轴设计流程的建立
根据对曲轴结构尺寸设计的分析，以及对曲轴设计计算校核方法的研究，总结出曲轴设计过程如下：
(1)在已知缸径D的情况下，根据表1计算出曲拐初步尺寸。
(2)根据曲轴平衡性的分析和平衡重的布置方法，运用软件功能直接测量重心坐标及重量，确定平衡重的主要尺寸大小。
(3)在确定曲拐和平衡重的初步尺寸后，对其进行校核，检验其是否满足设计要求。首先，利用曲拐和平衡重的初步尺寸数据，计算曲轴所受总驱动力，其次，计算曲轴所受支反力和弯矩，然后计算圆角名义应力、圆角形状系数，最后，计算出安全系数并验证是否符合设计要求。若安全系数达到要求，则继续下一步骤；若未达到要求，则更改曲拐和平衡重的尺寸直到满足要求。
(4)计算曲轴前后端和油孔尺寸。
(5)完成整个曲轴设计后，利用软件直接出工程图。
根据以上对曲轴设计过程的分析和整理，绘制出曲轴设计流程，如图3所示。
图3 曲轴设计流程图
4 曲轴设计导航系统的开发
4.1 设计导航功能
设计导航功能是指根据HTML记述的文档，通过JavaScript脚本语言控制SINOVATION，进行导航设计，如图4所示。利用导航功能，可以根据导航文档按步骤实时地进行设计，实现了由外部软件对三维设计软件SINOVATION进行操作，提高了设计效率。设计导航工具Navigator(简称NAVI)是独立于SINOVATION之外的程序，它能够读取HTML文档、由外部控制SINOVATION，实现了设计导航功能。NAVI中包括NavigationView模块，它由IE组件、脚本用的公开类和SINOVATION控制模块三部分组成，如图5所示。
图4 设计导航
图5 NAVI与SINOVATION的通信
4.2 导航程序运行流程
设计导航在运行过程中程序运行流程，如图6所示。具体介绍如下：(1)XML和HTML均是通过NavigationView中IE组件方便地显示。NAVI界面中的导航栏和操作内容区由NaviDataxml控制。(2)当点击操作内容区相应步骤时，由NaviData.xml链接到.html文档。(3)HTML文档决定了导航文档区显示内容，当向导航文档区文本框填写内容或点击按钮时，会读取HTML文档。(4)在向导航文档区文本框填写内容或点击按钮等操作之后，HTML文档调用JavaScript控制脚本的相应函数。(5)JavaScript控制脚本是根据NavigationView中脚本用的公开类所编写。(6)最后通过NavigationView中SINOVATION控制模块，实现对软件的控制，包括更改参数、调用操作等。
图6 设计导航程序运行流程图
4.3 设计导航文档的制作
设计导航文档的制作主要包括两部分：一是以XML形式记述索引文件NaviDataxml，另—个是以HTML形式记述设计导航内容。如图7所示，NAVI界面主要包括标题栏1、导航栏2、操作内容区3及导航文档区4四部分。其中，1、2、3是由NaviData xml控制，4由HTML记述的文档控制。曲轴设计导航文档主要包括系统登陆、模型打开、菜单选择、表的弹出等功能，如图8～图11所示。利用JavaScript语言编写控制脚本，实现消息提示、调用命令、更改模型参数等功能，实现了设计文档与三维软件操作的同步进行，如图12～图14所示。
1.标题栏2.导航栏3.操作内容区4.导航文档区
图7 NAVI界面
图8 系统登陆
图9 模型打开
图10 菜单选择
图11 表的弹出
4.4 JavaScript控制脚本的编码
图12 消息提示
图13 更改模型参数
图14 调用SINOVATION命令
5 结束语
随着机械行业激烈的竞争，企业竞相追求高质量和效率、低缺陷和错误，产品设计由传统的二维设计逐渐向三维设计转变，并且汽车行业对发动机的要求也越来越高，曲轴作为发动机主要零件，其设计质量和效率要求逐步提高。通过对SINOVATION设计导航功能及曲轴设计流程的分析研究，成功开发出曲轴设计导航系统，实现了曲轴设计知识积累和重用，提高了其设计效率和质量。
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本文标题：曲轴设计导航系统开发研究
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