某汽油機(jī)曲軸FEA分析

馮瑋瑋，許濤

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

某汽油機(jī)曲軸FEA分析

馮瑋瑋，許濤

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

對某汽油機(jī)的曲軸進(jìn)行仿真分析，主要包括飛輪轉(zhuǎn)速不均勻性、主軸承彈性液動(dòng)力分析以及曲軸強(qiáng)度的計(jì)算等。計(jì)算結(jié)果顯示：以上指標(biāo)均在可接受范圍內(nèi)，滿足使用要求。

曲軸；FEA分析；轉(zhuǎn)速波動(dòng)；應(yīng)力

0 引言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件，其作用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉(zhuǎn)化成力矩，用來驅(qū)動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)以及其他輔助裝置。曲軸的工作環(huán)境較為惡劣，受到周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用，同時(shí)承受著彎曲和扭轉(zhuǎn)交變載荷，因此，曲軸必須具有足夠的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度和剛度。

文中將對某汽油機(jī)的曲軸的基本強(qiáng)度進(jìn)行分析，首先進(jìn)行一維性能分析，計(jì)算飛輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量以及主軸承的工作狀態(tài)，然后利用三維有限元軟件ABAQUS對曲軸的強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，并對曲軸的強(qiáng)度和安全性進(jìn)行評價(jià)，為詳細(xì)設(shè)計(jì)提供參考。

1 分析過程

對曲軸進(jìn)行有限元分析，一般有兩種方法：一種是整體分析法，即對曲軸進(jìn)行整體分析，但是這種方法對計(jì)算資源需求較高；另一種方法是單獨(dú)對曲軸的每一個(gè)曲拐進(jìn)行分析，這種方法計(jì)算量較小，對計(jì)算機(jī)的要求也較低。因此文中將采用第2種方法進(jìn)行分析。

1.1 劃分網(wǎng)格

為了讓計(jì)算更加貼近實(shí)際情況，此次計(jì)算中沒有對曲軸三維模型進(jìn)行簡化，以免改變應(yīng)力分布，與實(shí)際不符。由于要進(jìn)行大量工況的計(jì)算，為了既能保證計(jì)算的精度，同時(shí)又要盡可能地減少計(jì)算消耗的時(shí)間，因此，需要對曲軸的不同部位劃分不同數(shù)目的網(wǎng)格。對于一些關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行密化處理，而其他非關(guān)鍵區(qū)域，可以適當(dāng)減少網(wǎng)格的數(shù)量，以提高計(jì)算的速度。圖1為劃分好的曲軸網(wǎng)格模型。

1.2 施加載荷

曲軸分析中，力的邊界一般處理為：軸向受到180°分布的余弦力，軸向受均布載荷，積分后得到曲柄銷受力。部分轉(zhuǎn)速下曲軸曲柄銷的受力如表1所示。

表1 曲柄銷受力情況

根據(jù)曲柄銷的受力，求出應(yīng)加載的幅值，然后施加到各個(gè)對應(yīng)的曲柄銷上進(jìn)行分析。在這里需要特別注意約束的處理，通常的做法是直接約束主軸承3個(gè)方向自由度，但是這樣算出來的結(jié)果往往與實(shí)際結(jié)果偏差較大。合理的做法是通過在軸承處加支反力來進(jìn)行約束。

1.3 材料屬性

表2是計(jì)算過程中需要用到的曲軸材料屬性。

表2 曲軸材料屬性

2 結(jié)果分析

2.1 飛輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)

轉(zhuǎn)速波動(dòng)是反映曲軸系工作過程中，由于缸內(nèi)壓力的變化，導(dǎo)致曲軸轉(zhuǎn)速的變化率。它是由發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)點(diǎn)火的運(yùn)行機(jī)制導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，反映了運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，轉(zhuǎn)速波動(dòng)過大則會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸扭矩波動(dòng)大，從而引起整機(jī)較大的振動(dòng)。其評價(jià)指標(biāo)為1 500 r/min工況下，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.25。

圖2所示的是曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的計(jì)算結(jié)果。可以看到：轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯小于0.25的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此滿足要求。

2.2 EHD(Elastohydrodynamic，彈性液動(dòng)力)計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行EHD需更改主軸承的計(jì)算建模類型，一般使用EHD2模型。EHD計(jì)算結(jié)果主要是2個(gè)指標(biāo)：最大單位載荷與最小油膜厚度。一般來說，雙金屬軸瓦能承受的最大軸瓦載荷為50 N/mm2；而最小油膜厚度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為大于1 μm。

圖3、4所示的分別是主軸承最大單位載荷以及最小油膜厚度。

可以看到：主軸承的上瓦和下瓦的最大單位載荷均小于20 N/mm2，而最小油膜厚度均大于2.5 μm，均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說明軸承潤滑狀態(tài)良好，工作正常。

2.3 最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

此次計(jì)算是從最大爆發(fā)壓力工況點(diǎn)(4 000 r/min)開始，到額定工況點(diǎn)(5 500 r/min)。在結(jié)果分析中，包含了4個(gè)缸分別出現(xiàn)最大爆發(fā)壓力時(shí)，曲軸的應(yīng)力分布情況。

圖5是不同轉(zhuǎn)速條件下，曲軸受到的最大應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。可以看到：曲軸在4 000 r/min時(shí)，即最大爆發(fā)壓力工況下，最大應(yīng)力值高于其他轉(zhuǎn)速下，達(dá)到293.6 MPa。

圖6是4 000 r/min時(shí)，曲軸的應(yīng)力分布情況。可以看到：最大應(yīng)力出現(xiàn)在第四缸連桿軸頸圓角位置附近。由于曲軸材料為49 MnVs3，其屈服應(yīng)力為600 MPa，因此其安全系數(shù)高達(dá)2，所以符合強(qiáng)度要求，該曲軸結(jié)構(gòu)比較安全。

3 結(jié)論

對某汽油機(jī)的曲軸進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算主要包括飛輪轉(zhuǎn)速不均勻性、主軸承EHD(彈性液動(dòng)力)分析以及曲軸強(qiáng)度計(jì)算等。具體計(jì)算結(jié)果如下：

(1)飛輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯小于0.25的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，滿足要求。

(2)主軸承的上瓦和下瓦的最大單位載荷均小于20 N/mm2，而最小油膜厚度均大于2.5 μm，均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說明軸承潤滑狀態(tài)良好，工作正常。

(3)曲軸在4 000 r/min時(shí)，其應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第四缸連桿軸頸圓角位置附近。由于曲軸材料為49MnVs3，其屈服應(yīng)力為600 MPa，因此其安全系數(shù)高達(dá)2，所以符合強(qiáng)度要求，該曲軸結(jié)構(gòu)比較安全。

【1】周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

【2】馬瑞恒,李詩新，丁香乾,等.6160A-17柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度計(jì)算[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，1998(3):21-23.

【3】韋瑩.9L210柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度計(jì)算及疲勞分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2015(5):33-34.

FEA Analysis on Crankshaft of a Certain Gasoline Engine

FENG Weiwei, XU Tao
(Research & Development Center,Anhui Jianghuai Automobile Co,.Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

A FEA analysis on crankshaft of a certain gasoline engine was made.Speed irregularity of the flywheel, elastohydrodynamic analysis on main bearing and strength of the crankshaft were calculated. The results indicate that those values are acceptable and the crankshaft meets use requirement.

Crankshaft; FEA analysis;Speed irregularity; Stress

2016-03-17

馮瑋瑋(1985—),女，本科，助理工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail:weiwei_feng2007@163.com。

U464.171

A

1674-1986(2016)06-039-03