某型發動機曲軸系統動力學仿真分析

袁雪松　王斌

摘要：曲軸系統包括曲軸、活塞、連桿等重要的零部件，在工作中承受壓力大，旋轉速度高，工作條件較為苛刻，是發動機中最重要的運動系統之一。近年來，隨著計算機仿真技術的快速進步，許多軟件廠商都開發出了專業的仿真模擬軟件，使內燃機曲軸系統的動力學仿真成為可能。某航空活塞發動機是六缸水平對置式發動機，為確保曲軸工作的可靠性，有必要對其進行動力學仿真分析。

關鍵詞：發動機；曲軸系統；動力仿真學

1 曲軸動力學仿真模型的建立

1.1 作用在曲軸上的激勵載荷及參數設定

就內燃機曲軸系統而言，主要載荷為氣缸內的燃氣爆發壓力和運動組件的慣性力。

1.1.1 氣體爆發壓力

內燃機工作，實際上是將混合氣的化學能通過燃燒轉換為曲軸系統轉動的機械能?；旌蠚馊紵龝r，會在氣缸內活塞上死點附近產生很高的爆發壓力。這種周期性振蕩的壓力是曲軸系統的主要激勵源。

1.1.2 曲軸系統零部件的慣性力

活塞、連桿等零部件運動的慣性力是曲軸系統的另一個主要激勵源。

已知發動機曲軸連桿機構的下列參數：曲拐與氣缸軸線夾角α，連桿與氣缸軸線夾角B，缸的直徑D，連桿長度L，連桿銷孔間距L_b，曲拐半徑R_c，連桿質量m₁，活塞組件質量m_p，燃氣壓力p_g（α），曲軸轉速n，可以做以下分析：

1.1.3 作用于曲柄銷上的總激勵載荷

曲柄銷上的總激勵載荷由氣體推力和往復運動構件的慣性力兩部分組成。

利用計算公式求出慣性力，可以求出曲柄銷上的激勵載荷。

1.2 建立曲軸系統仿真模型

本文研究的發動機曲軸設計上有六個曲拐，次序為1，6，3，2，5，4，曲拐間夾角δ=60°，各缸點火順序為1-4-5-2-3-6，點火間隔為120°，將第1缸的活塞處于壓縮行程上死點的時刻設定為曲軸轉角0°位置。根據設計圖紙，應用UG軟件對曲軸系統建立實體模型。

根據發動機的設計資料，輸入發動機相關結構參數和邊界條件，結合1.1條中的理論公式，可在AVL動力學分析軟件中建立該發動機曲軸系統的計算模型。

2 曲軸系統仿真計算及結果分析

本次曲軸系統仿真分析內容包括各曲柄銷載荷和曲軸各階振型分析。

飛機起飛時其過載達到極限值3.8 g，發動機處于起飛工作狀態。發動機在起飛狀態下、做功行程的初始階段，產生最大燃氣爆發壓力為5.85 MPa，此刻曲軸所受的載荷達到最大。因此，本次仿真分析只在發動機起飛狀態2700 r/min的轉速下進行。

將缸內隨曲軸轉角變化的爆發壓力導入到曲軸系統模型中，輸入各部件的結構幾何及物理材料屬性等參數，可得到曲軸的受力和模態等相關特性。

2.1 軸頸載荷分析

經軟件計算，對應1缸和2缸最大燃氣爆發力的曲軸轉角分別為11°和371°，傳遞至曲柄銷的最大燃氣爆發力為71 002.7 N。

對應3缸和4缸最大燃氣爆發力的曲軸轉角分別為491°和131°，傳遞至曲柄銷的最大燃氣爆發力為71 002.7 N。

對應5缸和6缸最大燃氣爆發力的曲軸轉角分別為251°和611°，傳遞至曲柄銷的最大燃氣爆發力為71 002.7 N。

2.2 曲軸模態分析

發動機曲軸是發動機最核心的零件之一，其動態特性直接關系到發動機的安全性和穩定性，同時也是整機主要的振動源和噪聲源。因此，分析曲軸的動態特性對其自身設計改進和故障分析都有著極為重要的意義。

根據現代內燃機理論，曲軸的振動主要是低階模態起作用，因此，根據經驗，選取曲軸的前五階模態進行仿真分析。

根據AVL軟件的計算結果，在該發動機曲軸的前五階諧次中，其最低頻率是266 Hz，隨著諧次上升，其頻率也相應增加。該發動機的工作狀態轉速為2350～2700 r/min，其基頻為117.5～135 Hz，而該曲軸的諧次頻率遠高于基頻，不會發生共振現象，滿足設計要求。

3 結論

本章應用AVL Excite軟件對某航空活塞發動機曲軸系統進行了動力學仿真分析，得出以下結論。

（1）通過計算得出了曲軸各軸頸部位的最大受力情況，以及軸頸部位受力大小和對應的曲軸轉角之間的關系，為后續的進一步計算提供了數據支持。

（2）曲軸的諧次頻率遠高于基頻，不會發生共振，動態仿真結果滿足設計要求。