1.本发明属于曲轴轴颈的技术领域，具体涉及一种曲轴的过渡圆角结构及其优化方法。
背景技术：2.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
3.曲轴作为发动机动力传输的核心部件，其失效形式主要是曲轴轴颈与曲柄臂之间过渡圆角的疲劳破坏。因此通常设计曲轴时，轴颈与曲柄臂之间的过渡圆角需要较大的半径，以保证曲轴的强度，由于过渡圆角沿轴颈轴向的尺寸与过渡圆角的半径相同，过渡圆角的半径越大，会导致过渡圆角沿轴颈轴向的尺寸越大，导致曲轴的轴向尺寸和重量越大。而在发动机设计过程中基于轻量化的考虑，不希望轴颈圆角尺寸过大，以保证发动机的重量和尺寸在合理范围内。如何兼顾过渡圆角的半径和曲轴的轴向尺寸，使得曲轴的过渡圆角结构更加合理是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现要素：4.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种曲轴的过渡圆角结构及其优化方法，能够在有限的空间内设计出足够大的圆角，满足其强度要求的同时使得曲轴可以更为紧凑。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种曲轴的过渡圆角结构，所述过渡圆角结构过渡连接轴颈和曲柄臂，所述过渡圆角结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，所述第一内凹圆弧面的一端与所述轴颈相接并相切，所述第二内凹圆弧面的一端与所述曲柄臂相接并相切，所述第一内凹圆弧面的另一端与所述第二内凹圆弧面的另一端相接并相切，所述过渡圆角结构沿所述轴颈轴向的尺寸为l，所述第一内凹圆弧面的半径为r，所述第二内凹圆弧面的半径为r，r＞l＞r。
6.本发明的一个实施例中，3≥r/r＞1。
7.本发明的一个实施例中，所述第二内凹圆弧面的圆弧角为α，α＝90
°‑
arcsin((r-l)/(r-r)。
8.本发明的一个实施例中，α为60
°‑
75
°
。
9.本发明还提供一种曲轴的过渡圆角结构的优化方法，包括如下步骤：
10.步骤1、获得曲轴的过渡圆角结构的原始半径r1；
11.步骤2、利用有限元分析技术，分析曲轴的过渡圆角结构的半径为r1时的应力；
12.步骤3、根据设计需要，设定曲轴的过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸l并使l不大于r1，利用三维软件对曲轴的过渡圆角结构的圆弧结构进行更改，绘制两段式圆弧结构，两段式圆弧结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，所述第一内凹圆弧面与曲轴的轴颈相切，所述第二内凹圆弧面与曲轴的曲柄臂相切，所述第一内凹圆弧面与所述第二内凹圆弧
面相切，所述第一内凹圆弧面的半径为r，所述第二内凹圆弧面的半径为r，所述第二内凹圆弧面的圆弧角为α，在满足r＞l＞r的前提下对r与r分别进行取值，建立多个不同的取值方案；
13.步骤4、对所述多个不同的取值方案进行初步筛选，选取使第二内凹圆弧面的圆弧角α在设定范围内的取值方案；
14.步骤5、利用有限元分析技术，分别计算分析所述过渡圆角分别采用不同的所述取值方案时的不同应力；
15.步骤6、对所述过渡圆角分别采用筛选的所述取值方案时的应力进行分析对比，选取应力最小的取值方案作为最终方案，确定r与r的值。
16.本发明的一个实施例中，3≥r/r＞1。
17.本发明的一个实施例中，所述第二内凹圆弧面的圆弧角为α，α＝90
°‑
arcsin((r-l)/(r-r)。
18.本发明的一个实施例中，α为60
°‑
75
°
。
19.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明公开的曲轴的过渡圆角结构及其优化方法，通过将曲轴的过渡圆角结构设置为两段式，即过渡圆角结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，第二内凹圆弧面为过渡圆角结构的主要部分，第二内凹圆弧面的半径较大，使得曲轴的强度得到保证，第一内凹圆弧面的半径较小，使得过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸较小，可以小于第二内凹圆弧面的半径，从而使得曲轴的轴向尺寸不会过大。如果第二内凹圆弧面的半径比现有技术中的一段式圆角的半径大，则过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸将会小于第二内凹圆弧面的半径，在增大曲轴强度的同时能够控制曲轴的轴向长度和重量不会超过设定的要求，如果第二内凹圆弧面的半径与现有技术中的一段式圆角的半径大致相同，则过渡圆角结构沿轴向轴向的尺寸可以减小，保证曲轴强度的同时减小曲轴的轴向长度和重量。本发明利用分段式圆角结构，在相同的曲轴设计空间内，可以设计得到更大的过渡圆角，降低曲轴的转动惯量，减小轴承负荷，并能够减小过渡圆角应力，提升曲轴的强度，进而可以提高发动机设计爆压，提升内燃机的热效率，达到节能减排的目的，在相同的曲轴强度下，可以设计得到更为紧凑的曲轴。
附图说明
20.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
21.图1为本发明公开的曲轴的结构示意图；
22.图2为本发明公开的曲轴的其中一个轴颈与曲柄臂的连接示意图；
23.图3为本发明公开的曲轴的过渡圆角结构的细节示意图。
24.其中，11、轴颈；12、曲柄臂；13、过渡圆角结构；131、第一内凹圆弧面；132、第二内凹圆弧面。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
26.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供作为进一步改进说明。
除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
27.以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。
28.实施例一
29.参见图1，如其中的图例所示，曲轴包括多段轴颈11和连接相邻两段轴颈11的曲柄臂12，轴颈11与曲柄臂12之间通过过渡圆角结构13过渡连接。上述多段轴颈11自左而右依次为连接的第一主轴轴颈、第一连杆轴颈、第二主轴轴颈、第二连杆轴颈、第三主轴轴颈、第三连杆轴颈、第四主轴轴颈、第四连杆轴颈、第五主轴轴颈、第五连杆轴颈、第六主轴轴颈、第六连杆轴颈以及第七主轴轴颈。
30.参见图2和图3，如其中的图例所示，一种曲轴的过渡圆角结构，上述过渡圆角结构13过渡连接轴颈11和曲柄臂12，上述过渡圆角结构13包括第一内凹圆弧面131和第二内凹圆弧面132，上述第一内凹圆弧面131的一端与上述轴颈11相接并相切，上述第二内凹圆弧面132的一端与上述曲柄臂12相接并相切，上述第一内凹圆弧面131的另一端与上述第二内凹圆弧面132的另一端相接并相切，上述过渡圆角结构13沿上述轴颈11轴向的尺寸为l，上述第一内凹圆弧面131的半径为r，上述第二内凹圆弧面132的半径为r，r＞l＞r。
31.通过将曲轴的过渡圆角结构设置为两段式，即过渡圆角结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，第二内凹圆弧面为过渡圆角结构的主要部分，第二内凹圆弧面的半径较大，使得曲轴的强度得到保证，第一内凹圆弧面的半径较小，使得过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸较小，可以小于第二内凹圆弧面的半径，从而使得曲轴的轴向尺寸不会过大。如果第二内凹圆弧面的半径比现有技术中的一段式圆角的半径大，则过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸将会小于第二内凹圆弧面的半径，在增大曲轴强度的同时能够控制曲轴的轴向长度和重量不会超过设定的要求，如果第二内凹圆弧面的半径与现有技术中的一段式圆角的半径大致相同，则过渡圆角结构沿轴向轴向的尺寸可以减小，保证曲轴强度的同时减小曲轴的轴向长度和重量。本发明利用分段式圆角结构，在相同设计空间内，可以设计得到更大的过渡圆角，降低曲轴的转动惯量，减小轴承负荷，并能够减小过渡圆角应力，提升曲轴的强度，进而可以提高发动机设计爆压，提升内燃机的热效率，达到节能减排的目的。
32.曲轴受力复杂，几何端面形状比较特殊，在设计曲轴时，至今还没有一个能完全反应客观实际的理论公式可供通用。因此，目前曲轴的设计主要依靠经验设计，即利用许多现有的曲轴结构与尺寸的统计资料，借以初步确定曲轴的基本尺寸，然后进行结构细节的设
计、强度校核，最终确定曲轴的结构尺寸。
33.曲柄臂的厚度直接影响曲轴的强度，厚度越大，强度越高；曲轴主轴颈档宽和连杆轴颈档宽对轴承的润滑性能具有很大影响，相对来说，档宽越小，润滑情况越差。在发动机缸心距不变的前提下，曲柄臂厚度和档宽的取舍相互矛盾。上述复合圆角(过渡圆角结构)的好处：1、圆角宽度减小，减小的空间用于增大轴瓦宽度，有利于润滑；2、不考虑润滑，只考虑强度时，将减小的空间增加至曲柄臂厚度，可以增加曲轴强度；3、设计空间不变时，采用复合圆角结构，可以增大圆角处强度，提高曲轴强度，进而可以提高发动机工作爆压，提升其性能；当强度有富余时，可以减小连杆轴颈直径，减小曲轴转动惯量。
34.本实施例中优选的实施方式，3≥r/r＞1。通过实验发现，r/r的比值在一定范围内最有利于兼顾曲轴的强度和曲轴的尺寸。
35.本实施例中优选的实施方式，上述第二内凹圆弧面132的圆弧角为α，α＝90
°‑
arcsin((r-l)/(r-r)。更进一步的，α为60
°‑
75
°
。通过实验发现，α的取值在一定范围内最有利于兼顾曲轴的强度和曲轴的尺寸。
36.下面介绍上述曲轴的过渡圆角结构的优化方法，包括如下步骤：
37.步骤1、获得曲轴的过渡圆角结构的原始半径r1；
38.步骤2、利用有限元分析技术，分析曲轴的过渡圆角结构的半径为r1时的应力；
39.步骤3、根据设计需要，设定曲轴的过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸l并使l不大于r1，利用三维软件对曲轴的过渡圆角结构的圆弧结构进行更改，绘制两段式圆弧结构，两段式圆弧结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，上述第一内凹圆弧面与曲轴的轴颈相切，上述第二内凹圆弧面与曲轴的曲柄臂相切，上述第一内凹圆弧面与上述第二内凹圆弧面相切，上述第一内凹圆弧面的半径为r，上述第二内凹圆弧面的半径为r，上述第二内凹圆弧面的圆弧角为α，在满足r＞l＞r的前提下对r与r分别进行取值，建立多个不同的取值方案；
40.步骤4、对上述多个不同的取值方案进行初步筛选，选取使第二内凹圆弧面的圆弧角α在设定范围内的取值方案；
41.步骤5、利用有限元分析技术，分别计算分析上述过渡圆角分别采用不同的上述取值方案时的不同应力；
42.步骤6、对上述过渡圆角分别采用筛选的上述取值方案时的应力进行分析对比，选取应力最小的取值方案作为最终方案，确定r与r的值。
43.有限元分析(fea，finite element analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最
初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
44.下表中中对传统的曲轴和本发明中的曲轴进行了对比。
[0045][0046]
上述表格中，序列1的曲轴为传统的曲轴，采用一段式圆角，其半径为r1，序列2-10的曲轴为本发明中的曲轴，采用两段式圆角。圆角宽是过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸l，圆角高是过渡圆角结构沿轴颈径向的尺寸h，轴颈侧圆角为第一内凹圆弧面的半径r，凸台侧圆角为第二内凹圆弧面的半径r，主轴直径为主轴轴颈直径，连杆直径为连杆轴颈直径，圆弧角为第二内凹弧型面的圆弧角α。
[0047]
序列2-6的曲轴的圆角宽度没有变化，曲轴的轴向尺寸没有变大，但是最大圆角应力变小，曲轴的强度变大。
[0048]
序列7-10的曲轴的圆角宽度变小，曲轴的轴向尺寸变小，且最大圆角应力变小，曲轴的强度变大。
[0049]
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不可完全脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：1.一种曲轴的过渡圆角结构，所述过渡圆角结构过渡连接轴颈和曲柄臂，其特征在于，所述过渡圆角结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，所述第一内凹圆弧面的一端与所述轴颈相接并相切，所述第二内凹圆弧面的一端与所述曲柄臂相接并相切，所述第一内凹圆弧面的另一端与所述第二内凹圆弧面的另一端相接并相切，所述过渡圆角结构沿所述轴颈轴向的尺寸为l，所述第一内凹圆弧面的半径为r，所述第二内凹圆弧面的半径为r，r＞l＞r。2.根据权利要求1所述的曲轴的过渡圆角结构，其特征在于，3≥r/r＞1。3.根据权利要求1所述的曲轴的过渡圆角结构，其特征在于，所述第二内凹圆弧面的圆弧角为α，α＝90
°‑
arcsin((r-l)/(r-r)。4.根据权利要求3所述的曲轴的过渡圆角结构，其特征在于，α为60
°‑
75
°
。5.一种曲轴的过渡圆角结构的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、获得曲轴的过渡圆角结构的原始半径r1；步骤2、利用有限元分析技术，分析曲轴的过渡圆角结构的半径为r1时的应力；步骤3、根据设计需要，设定曲轴的过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸l并使l不大于r1，利用三维软件对曲轴的过渡圆角结构的圆弧结构进行更改，绘制两段式圆弧结构，两段式圆弧结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，所述第一内凹圆弧面与曲轴的轴颈相切，所述第二内凹圆弧面与曲轴的曲柄臂相切，所述第一内凹圆弧面与所述第二内凹圆弧面相切，所述第一内凹圆弧面的半径为r，所述第二内凹圆弧面的半径为r，所述第二内凹圆弧面的圆弧角为α，在满足r＞l＞r的前提下对r与r分别进行取值，建立多个不同的取值方案；步骤4、对所述多个不同的取值方案进行初步筛选，选取使第二内凹圆弧面的圆弧角α在设定范围内的取值方案；步骤5、利用有限元分析技术，分别计算分析所述过渡圆角分别采用不同的所述取值方案时的不同应力；步骤6、对所述过渡圆角分别采用筛选的所述取值方案时的应力进行分析对比，选取应力最小的取值方案作为最终方案，确定r与r的值。6.根据权利要求5所述的曲轴的过渡圆角结构的优化方法，其特征在于，3≥r/r≥1。7.根据权利要求5所述的曲轴的过渡圆角结构的优化方法，其特征在于，所述第二内凹圆弧面的圆弧角为α，α＝90
°‑
arcsin((r-l)/(r-r)。8.根据权利要求7所述的曲轴的过渡圆角结构的优化方法，其特征在于，α为60
°‑
75
°
。
技术总结本发明公开了一种曲轴的过渡圆角结构及其优化方法，过渡圆角结构过渡连接轴颈和曲柄臂，过渡圆角结构包括第一内凹圆弧面和第二内凹圆弧面，第一内凹圆弧面与轴颈相切，第二内凹圆弧面与曲柄臂相切，第一内凹圆弧面与第二内凹圆弧面相切，过渡圆角结构沿轴颈轴向的尺寸为L，第一内凹圆弧面的半径为r，第二内凹圆弧面的半径为R，R＞L＞r。本发明利用分段式圆角结构，在相同的曲轴设计空间内，可以设计得到更大的过渡圆角，降低曲轴的转动惯量，减小轴承负荷，并能够减小过渡圆角应力，提升曲轴的强度，进而可以提高发动机设计爆压，提升内燃机的热效率，达到节能减排的目的，在相同的曲轴强度下，可以设计得到更为紧凑的曲轴。可以设计得到更为紧凑的曲轴。可以设计得到更为紧凑的曲轴。
技术研发人员：丛建臣 孙军 吕世杰 胡京开 邵诗波
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：2022.07.07
技术公布日：2022/11/1
