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.
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.
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.
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(fsigm 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 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. 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): [1] 董麗濤,劉榮昌,王慶祝,等.曲軸強(qiáng)度研究方法與曲軸疲勞強(qiáng)度壽命提高[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2004(4):18-20. [2] 柯俊峰.1.3L轎車汽油機(jī)曲軸強(qiáng)度分析[D].上海:上海交通大學(xué),2007. [3] 韓松濤,郝志勇.6102B型柴油機(jī)曲軸三維有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,32(4):74-77. [4] 劉必榮.基于ANSYS 的小型柴油機(jī)曲軸應(yīng)力分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2004(3):30-32. [5] 梁興雨,舒歌群,李東海,等.基于柔體曲軸多體動力學(xué)的軸系扭振響應(yīng)分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2007,28(4):46-49. [6] 柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1984. [7] 王永廉.材料力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:1. [8] 宋坤,劉銳寧.Visual C++程序設(shè)計(jì)自學(xué)手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008:2.4 分析實(shí)例
5 結(jié)束語