1．目的及意义

发动机是汽车的心脏，为汽车提供动力，密切关系着汽车的动力性、燃油经济性、平顺性，其动力性能指标主要是指功率、转矩、转速等。汽车的动力性、经济性决定了汽车的性能是否优良。发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，无论是在设计、制造、工艺还是在性能、控制等方面都有了很大的提高，但其基本原理人仍然没有改变。曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件，弯曲和扭转是曲轴振动过程中的主要变形方式，曲轴工作时在交变载荷的作用下，会使曲轴产生振动和轴向窜动。因此，曲轴除了要有足够的刚度，强度和韧度外，还应具有很好的平衡性。

我们需要对曲轴进行动平衡计算，改进结构参数以减小不平衡量，从而改善发动机的各项性能。三维造型的准确性、造型的快慢直接影响曲轴的质量和生产周期，研究曲轴的造型设计不仅对提高汽车产品的质量具有重要意义，同时对缩短相关产品的生产周期具有重要意义。利用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行结构分析，主要工作是确定应力对曲轴的影响，比较各种材料并提供可能的解决方案。最后的结果被用于曲轴的优化设计。

针对曲轴的三维实体造型及动力学参数优化设计研究，国内学者做了大量工作：尹必峰、刘胜吉、潘文东通过普遍使用的AutoCAD软件对295直喷式柴油机曲轴进行三维实体造型，论述了三维实体造型的一般方法^[1]；刘向军用ADVISOR软件来进行车用发动机的动力匹配分析，得出国内发动机的不足，突出车辆匹配的重要性^[2]；陈然、曹咏弘、孙华东利用PRO/E建立内燃机曲轴的简化模型，导入ANSYS进行模态分析，得出曲轴除了要有足够的刚度，强度和韧度外，还应具有很好的平衡性^[3]；李倩根据曲轴的对称性，利用UG软件提供的“镜像体”命令对曲轴造型，提高了作图速度^[4]；景银萍、崔志琴、刘威、黄坤利用灵敏度分析法、优化算法和设计参数法相结合的方法，对曲轴模型进行动力学参数优化设计，使曲轴的动力学模型与实际更吻合^[5]；商海昆、支亚辉、冯国胜、胡春萍、钱超、孙晓伟利用Solidworks建立曲轴的三维实体模型，运用ANSYS Workbench的静力分析模块和Fatigue tool工具箱，对曲轴在各缸最大爆发压力下的强度和可靠性进行分析，得出各缸爆发时的最大应力位置均出现在爆发缸所在的两个相邻轴颈连接处，即连杆轴颈过度圆角处^[6]；文怀军、闫雪华通过有限元方法得到将曲轴材料由锻钢改为球墨铸铁的设计及优化方案^[7]；石来华应用发动机一维模拟软件GT-POWER建立某四缸车用汽油机工作过程的计算分析模型，计算发现优化进气系统后发动机的中、高转速区域的动力性能得到了较大改善，但对发动机低转速的动力性能的改善作用不大^[8]；凌建群建立汽车加速过程消耗的计算方法，得出，无论直接挡加速还是起步换挡加速加速油耗和加速时间都成反比的关系^[9]；贺洋洋、申琪、郭昌盛、张昌明、熊超、邢思利用CATIA软件对汽车发动机曲轴进行参数化建模，并结合ANSYS Workbench软件进行有限元分析，对曲轴进行优化设计，得到曲轴的最优参数^[10]。

针对曲轴的三维实体造型及动力学参数优化设计研究，国外学者采用方法如下：V.Mallikarjuna Reddy、 T.Vijaya Devi利用Unigraph-NX7.5对曲轴进行建模，并利用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行结构分析，发现在最大应力极限下，曲轴的强度有所提高，随着曲轴重量的减小，曲轴的成本降低，发动机性能提高^[11]；Paolo Citti、 Alessantro Giogetti,、Ulisse Millefanti介绍并展示了一种用于高性能曲轴的新型贝氏体低碳含量的表征相，收集并评价了渗氮效果(氮扩散)的表面硬化和显微硬度分布^[12]；Xiaio-lei Xu、 Zhi-wei Yu得出卡车发动机曲轴断裂发生在曲轴大端，正时齿轮和飞轮法兰耦合在一起，断裂位置正好位于两者之间的装配间隙^[13]；JoaoGomes、Narciso Gaivota,、Rui F.Martins,、P.Pires Silva在准则下对曲轴的理论尺寸进行评估，并利用有限元方法对曲轴模型在整个燃烧循环中的几个应力集中区域进行分析，得出曲轴发生故障的原因^[14]；G.Kinal、J.Musial、M.Szczutkowski、T.Kalaczynski、A.Troszynski对轴承与轴颈表面的磨损进行研究，在代表轴颈的套筒上使用光栅法钻EN-GJS-600球墨铸铁，可以得到厚度为0.3 mm的表层，熔化区的特点是断面显微硬度分布均匀，硬化区显微硬度逐渐降低^[15]。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1研究（设计）的基本内容

此次设计围绕CD4108发动机曲轴的设计与仿真，曲轴主要的评价指标包括各缸最大爆发压力下的强度和可靠性等，依据这些参数，建立CD4108发动机曲轴的仿真模型，对发动机整体进行动力学计算分析和对曲轴进行三维实体造型，在分析过程中运用有限元分析软件和经验公式对曲轴工作状态下的强度进行分析，分析动力学分析结果，计算得到了其相应时刻的应力和应变分布规律，找出了曲轴受力的危险部位，为曲轴的动态疲劳分析提供数据，为曲轴的优化设计提供参考。

2.2 研究（设计）的目标

通过此次毕业设计，期望达成以下目标：

（1）了解发动机曲轴设计的流程；

（2）对CD4108发动机进行动力学计算；