曲軸強(qiáng)度校核系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬宗正，孟 凱

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程系,河南 鄭州 451191)

曲軸是柴油機(jī)中最重要、最昂貴的零件之一，是承受沖擊載荷、傳遞動力的關(guān)鍵零件.在工作中，曲軸承受著由缸內(nèi)燃?xì)庾饔昧Α⑼鶑?fù)慣性力及旋轉(zhuǎn)慣性力引起的周期性變化的交變載荷，這種交變載荷會引起曲軸的疲勞失效.曲軸的疲勞破壞通常從應(yīng)力集中處開始，在最大載荷不變的前提下，其強(qiáng)度對柴油機(jī)的工作性能和壽命有著決定性的影響[1]，所以在發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)中曲軸占有極其重要的地位.

曲軸強(qiáng)度校核的方法有簡支梁法、連續(xù)梁[2]和有限元法[3-5].傳統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算方法可分為兩種：簡支梁法和連續(xù)梁.雖然簡支梁法的精度較連續(xù)梁及有限元法有著一定的差距，但簡支梁法相對簡單，在設(shè)計(jì)開發(fā)的初期，采用簡支梁法進(jìn)行初步估計(jì)是比較可行的方法.為此，本文基于VC++對簡支梁法進(jìn)行了程序化設(shè)計(jì)，為應(yīng)用簡支梁法分析曲軸強(qiáng)度提供了思路.

1 簡支梁法

簡支梁法假定曲軸上的每一曲柄是一個(gè)斷開的簡支梁，自由地置于通過兩主軸承中點(diǎn)的支撐上，以通過主軸頸中點(diǎn)并垂直與曲軸中心線的平面將曲軸分為若干個(gè)曲柄，每個(gè)曲軸視為一個(gè)簡支梁進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示.

圖1 簡支梁法示意圖Fig.1 Diagram of beam supported of both ends method

強(qiáng)度校核的步驟分為：(1)作出軸的計(jì)算簡圖；(2)計(jì)算彎矩M，作出簡圖；(3)計(jì)算扭矩T，做出扭矩圖；(4)校核軸的強(qiáng)度，具體的計(jì)算公式見文獻(xiàn)[6].

當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)不同時(shí)，其破壞形式也會不同，所采用的強(qiáng)度校核理論也不相同[7].本文所研究的曲軸屬于三向拉應(yīng)力狀態(tài)下，此時(shí)容易產(chǎn)生屈服失效，所以采用第四強(qiáng)度校核理論.

2 VC++

Visual C++ 6.0是Microsoft Visual Studio 6.0家族的成員之一，是Microsoft公司在1998年推出的基于Windows 9X和Windows NT的優(yōu)秀集成開發(fā)環(huán)境，是Windows環(huán)境下最主要的面向?qū)ο?Object Oriented)應(yīng)用開發(fā)環(huán)境之一，它不僅是C++語言的集成開發(fā)環(huán)境，而且與Win32緊密相連.Visual C++6.0擁有兩種編程方式：一是傳統(tǒng)的基于Windows API的C編程方式，雖然它的代碼效率較高，但開發(fā)難度與開發(fā)工作量也隨著增高，目前使用這種編程方式的用戶已經(jīng)很少；二是基于MFC的C++編程方式，雖然其代碼運(yùn)行效率相對較低，但開發(fā)難度小、開發(fā)工作量小、源代碼效率高，已成為Windows 應(yīng)用程序的主流[8].本文即是基于MFC下的C++編程，來實(shí)現(xiàn)簡支梁法的曲軸強(qiáng)度校核.

3 程序化實(shí)現(xiàn)

具體的程序?qū)崿F(xiàn)化過程如圖2所示，可分為3步完成，第一步是基本界面的設(shè)計(jì)，第二步是程序的編寫，第三步是系統(tǒng)驗(yàn)證.

圖2 程序化實(shí)現(xiàn)步驟Fig.2 Steps of programming

第一步為基本界面的設(shè)計(jì)，主要包括VC++基本開發(fā)界面的建立、基本控件的添加和顯示界面的設(shè)計(jì)，主要控件包括實(shí)現(xiàn)靜態(tài)文本控件、編輯框控件、按鈕控件、組合控件及圖片控件.其中，靜態(tài)文本控件的作用是顯示數(shù)據(jù)，但是不接受輸入，用來顯示輸入?yún)?shù)的說明和顯示輸出結(jié)果.在默認(rèn)情況下，所有靜態(tài)文本控件的ID都為IDC-STATIC.如果需要為靜態(tài)文本控件添加消息處理函數(shù)，需要重新指定一個(gè)唯一的ID值，以便于輸出時(shí)使用.需要注意的是，每個(gè)靜態(tài)控件只可以顯示255個(gè)字符，如果需要換行，可以使用換行符“ ”.編輯框控件是從鍵盤輸入和編輯的窗口，在編輯框控件中可以進(jìn)行輸入、復(fù)制、剪切、粘貼和刪除等操作，在本系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)的輸入，軸頸直徑、主軸軸頸直徑、曲柄臂、平衡重等參數(shù)的輸入都通過編輯框?qū)崿F(xiàn).按鈕控件也是在程序開發(fā)過程中經(jīng)常使用的控件，當(dāng)按鈕控件被按下時(shí)會立即執(zhí)行某個(gè)命令，在本系統(tǒng)中采用按鈕控件來實(shí)現(xiàn)程序的計(jì)算，即當(dāng)按下按鈕時(shí)，通過輸入數(shù)據(jù)計(jì)算曲軸的強(qiáng)度并與已知材料的強(qiáng)度值相比較.組合框控件結(jié)合了編輯框和列表框的特點(diǎn)，既可以進(jìn)行輸入，也可以在列表框組成部分選擇一項(xiàng).組合框有簡單組合框、下拉組合框和下拉列表框這3種形式，可通過組合框的Properties屬性對話框Styles頁面的Type下拉框設(shè)置這3種形式，本系統(tǒng)采用下拉組合來實(shí)現(xiàn)不同材料的選擇.需要說明的是，當(dāng)下拉框的內(nèi)容確定后需要調(diào)整下拉框的大小，否則會出現(xiàn)下拉框太小而實(shí)現(xiàn)不全的問題.圖片的顯示是采用圖片控件(picture)來實(shí)現(xiàn)的，它的作用是顯示位圖、圖標(biāo)、方框和圖元文件，一般不能接受輸入信息.在添加圖片控件時(shí)，需要先在所建立的工程中添加圖片，即通過插入資源選項(xiàng)中的位圖來實(shí)現(xiàn)，然后可以在圖片的屬性中添加圖片，即可在工程中實(shí)現(xiàn)圖片的顯示.最終建立的總體界面如圖3所示，界面分為兩個(gè)部分，一是輸入?yún)?shù)部分，主要用于基本參數(shù)的輸入；二是輸出部分，主要用于計(jì)算結(jié)果的輸出.此外，為了便于理解輸入?yún)?shù)，還添加了輔助圖片，用以表示輸入、輸出參數(shù)的具體定義.

第二步是程序的編寫，主要包括基本計(jì)算程序和顯示輸出程序，由于支撐力、約束力、強(qiáng)度比較等計(jì)算都是基本計(jì)算，故在本文中不再給出，只對材料選擇、數(shù)據(jù)輸出、查表等操作的代碼進(jìn)行分析.其中，不同曲軸材料的選擇采用下拉菜單的形式實(shí)現(xiàn)，定義下拉菜單的變量為m_iCombSelec，利用switch(m_iCombSelec)來實(shí)現(xiàn)不同材料的選擇.為了提示最終計(jì)算的曲軸校核結(jié)果是否滿足強(qiáng)度要求，采用彈出對話框的形式來提示，即if(fsigmSetWindowText(str);(IDC_STATIC_0000為要輸出數(shù)據(jù)文本框的ID值).計(jì)算過程需要用到查表計(jì)算，本設(shè)計(jì)中采用查表與差值相結(jié)合的辦法來實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)數(shù)值與表中的數(shù)值相等時(shí)采用表中的數(shù)值，否則采用差值的方法來得到數(shù)值，具體代碼如下：(if(x==1.0) falpha=0.208; if(x==1.2) falpha=0.219; if(1.0

第三步是系統(tǒng)驗(yàn)證，通過對程序進(jìn)行調(diào)試，檢測程序能否正常運(yùn)行.利用debug命令對程序進(jìn)行調(diào)試，通過單步運(yùn)行分別對比計(jì)算結(jié)果，檢查所得的結(jié)果是否正確，從而檢測程序能否正常運(yùn)行.實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)，程序可以正常運(yùn)行.

圖3 系統(tǒng)界面Fig.3 Main interface of the system

4 分析實(shí)例

曲軸由連桿軸(軸頸直徑d0=50 mm)、主軸(軸頸直徑d1=60 mm)和曲柄臂(截面Ⅲ-Ⅲ為矩形，b=22 mm，h=102 mm)組成.已知其他尺寸：r=60 mm，L=130 mm，l=64 mm，a=22 mm.連桿軸頸受力P=32 kN,F=17 kN,曲柄慣性力C=3 kN,平衡重慣性力C1=7 kN.曲軸材料為碳鋼，[σ]=120 MPa.

最終的分析結(jié)果如圖4所示，可見，當(dāng)曲軸采用碳鋼時(shí)，連桿軸軸頸的中間截面I-I處的強(qiáng)度為111.548 943 MPa，主軸軸頸與曲柄連接處II-II截面處的強(qiáng)度為53.036 471 MPa，主軸頸的曲柄橫截面III-III處的強(qiáng)度為100.846 703 MPa，B點(diǎn)處的剪應(yīng)力為91.517 212 MPa，都小于碳鋼的強(qiáng)度，可滿足強(qiáng)度要求.

5 結(jié)束語

對分析曲軸強(qiáng)度的簡支梁法進(jìn)行了程序化設(shè)計(jì)，并對程序進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足設(shè)計(jì)要求.

參考文獻(xiàn)：

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