1 引言
曲軸是發動機中最重要的機件之一，它的結構尺寸參數在很大程度上不僅影響著發動機的整體尺寸和重量，而且還影響著發動機的可靠性與使用壽命。目前，對曲軸的計算機輔助設計研究主要是利用一些CAD平臺的二次開發工具開發其設計系統，過程復雜，不易被掌握。利用國產三維CAD/CAM軟件SINOVATION的設計導航工具，采用簡單的網頁制作方法，開發出了曲軸設計導航系統。研究對實現曲軸設計知識重用、提高其設計效率具有重要意義。
2 曲軸設計內容
2.1 工作條件、結構型式及材料選擇
曲軸工作條件比較惡劣，它既受到彎曲應力，又受到扭轉應力。由曲軸破壞統計分析得知，80%左右的曲軸破壞是由彎曲疲勞引起的。曲軸按結構型式分為整體式和組合式。選擇曲軸材料時，在保證曲軸有足夠強度的前提下，盡可能采用一般材料，以鑄代鍛，以鐵代鋼，一般采用球墨鑄鐵。
2.2 曲軸結構尺寸分析
曲軸的完整結構，如圖1所示。由曲拐、平衡重、前后端及油孔組成，曲拐又包括曲柄臂、主軸頸和連桿軸頸。在曲軸設計中，主要是曲拐及平衡重的設計。
1.前端2.曲拐3.后端4.平衡重5油孔
圖1 曲軸模型圖
2.2.1 曲拐設計
非增壓直列式汽油發動機曲拐主要尺寸，如圖2所示。包括主軸頸直徑D1和長度L1、連桿軸頸直徑D2和長度L2、曲柄臂厚度h和寬度b，這些參數一般根據氣缸缸徑D確定，如表1所示。
圖2 曲拐主要尺寸
表1 曲軸主要尺寸比例
2.2.2 平衡重設計
曲軸的旋轉質量系統由各曲拐的旋轉質量組成，它不但要求靜平衡，而且還要動平衡。靜平衡就是質量系統旋轉時離心力合力等于0，即系統重心位于旋轉軸線上。動平衡指當系統旋轉時不但離心力合力等于0，而且合力矩也等于0。
2.3 曲軸設計計算校核
曲軸疲勞強度損壞分為兩種：彎曲疲勞破壞和扭轉疲勞破壞。彎曲疲勞裂紋產生于圓角處，然后向曲柄臂擴展。扭轉疲勞裂紋是由于加工不良的油孔或圓角導致。內燃機扭矩、扭振的計算和測量方法比較成熟，只要扭振減振器不發生故障，通常不會出現扭轉疲勞破壞。相反，曲軸的彎曲應力難于精確計算，而且軸承磨損后會產生很大的附加彎曲應力。因此，曲軸產生的彎曲疲勞破壞遠遠多于扭轉疲勞破壞。所以在曲軸計算校核中一般只考慮彎曲疲勞的影響。曲軸的疲勞強度計算分為兩步：(1)應力計算即求出曲軸危險部位的應力幅和平均應力。(2)安全系數計算，在(1)的基礎上進行強度校核，根據安全系數來確定曲軸是否滿足要求。
3 曲軸設計流程的建立
根據對曲軸結構尺寸設計的分析，以及對曲軸設計計算校核方法的研究，總結出曲軸設計過程如下：
(1)在已知缸徑D的情況下，根據表1計算出曲拐初步尺寸。
(2)根據曲軸平衡性的分析和平衡重的布置方法，運用軟件功能直接測量重心坐標及重量，確定平衡重的主要尺寸大小。
(3)在確定曲拐和平衡重的初步尺寸后，對其進行校核，檢驗其是否滿足設計要求。首先，利用曲拐和平衡重的初步尺寸數據，計算曲軸所受總驅動力，其次，計算曲軸所受支反力和彎矩，然后計算圓角名義應力、圓角形狀系數，最后，計算出安全系數并驗證是否符合設計要求。若安全系數達到要求，則繼續下一步驟；若未達到要求，則更改曲拐和平衡重的尺寸直到滿足要求。
(4)計算曲軸前后端和油孔尺寸。
(5)完成整個曲軸設計后，利用軟件直接出工程圖。
根據以上對曲軸設計過程的分析和整理，繪制出曲軸設計流程，如圖3所示。
圖3 曲軸設計流程圖
4 曲軸設計導航系統的開發
4.1 設計導航功能
設計導航功能是指根據HTML記述的文檔，通過JavaScript腳本語言控制SINOVATION，進行導航設計，如圖4所示。利用導航功能，可以根據導航文檔按步驟實時地進行設計，實現了由外部軟件對三維設計軟件SINOVATION進行操作，提高了設計效率。設計導航工具Navigator(簡稱NAVI)是獨立于SINOVATION之外的程序，它能夠讀取HTML文檔、由外部控制SINOVATION，實現了設計導航功能。NAVI中包括NavigationView模塊，它由IE組件、腳本用的公開類和SINOVATION控制模塊三部分組成，如圖5所示。
圖4 設計導航
圖5 NAVI與SINOVATION的通信
4.2 導航程序運行流程
設計導航在運行過程中程序運行流程，如圖6所示。具體介紹如下：(1)XML和HTML均是通過NavigationView中IE組件方便地顯示。NAVI界面中的導航欄和操作內容區由NaviDataxml控制。(2)當點擊操作內容區相應步驟時，由NaviData.xml鏈接到.html文檔。(3)HTML文檔決定了導航文檔區顯示內容，當向導航文檔區文本框填寫內容或點擊按鈕時，會讀取HTML文檔。(4)在向導航文檔區文本框填寫內容或點擊按鈕等操作之后，HTML文檔調用JavaScript控制腳本的相應函數。(5)JavaScript控制腳本是根據NavigationView中腳本用的公開類所編寫。(6)最后通過NavigationView中SINOVATION控制模塊，實現對軟件的控制，包括更改參數、調用操作等。
圖6 設計導航程序運行流程圖
4.3 設計導航文檔的制作
設計導航文檔的制作主要包括兩部分：一是以XML形式記述索引文件NaviDataxml，另—個是以HTML形式記述設計導航內容。如圖7所示，NAVI界面主要包括標題欄1、導航欄2、操作內容區3及導航文檔區4四部分。其中，1、2、3是由NaviData xml控制，4由HTML記述的文檔控制。曲軸設計導航文檔主要包括系統登陸、模型打開、菜單選擇、表的彈出等功能，如圖8～圖11所示。利用JavaScript語言編寫控制腳本，實現消息提示、調用命令、更改模型參數等功能，實現了設計文檔與三維軟件操作的同步進行，如圖12～圖14所示。
1.標題欄2.導航欄3.操作內容區4.導航文檔區
圖7 NAVI界面
圖8 系統登陸
圖9 模型打開
圖10 菜單選擇
圖11 表的彈出
4.4 JavaScript控制腳本的編碼
圖12 消息提示
圖13 更改模型參數
圖14 調用SINOVATION命令
5 結束語
隨著機械行業激烈的競爭，企業競相追求高質量和效率、低缺陷和錯誤，產品設計由傳統的二維設計逐漸向三維設計轉變，并且汽車行業對發動機的要求也越來越高，曲軸作為發動機主要零件，其設計質量和效率要求逐步提高。通過對SINOVATION設計導航功能及曲軸設計流程的分析研究，成功開發出曲軸設計導航系統，實現了曲軸設計知識積累和重用，提高了其設計效率和質量。
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本文標題：曲軸設計導航系統開發研究
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