直列4缸汽油機曲軸結構優化設計與工程分析

李國華，潘圣臨，任偉偉，閆立凱，徐敬彬

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

直列4缸汽油機曲軸結構優化設計與工程分析

李國華，潘圣臨，任偉偉，閆立凱，徐敬彬

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

∶本文以東安汽發某款汽油發動機曲軸結構優化為實例，在保證曲軸重量和平衡率不變的前提下，通過對曲軸平衡重布置方案及結構的優化，實現了降低了曲軸工作載荷，優化了曲軸載荷分布的效果。同時也分析了在相同平衡率的情況下，四平衡重和八平衡重兩種平衡重布置方案對軸承油膜厚度、載荷的對比。

∶汽油發動機；平衡重布置；曲軸載荷；軸承載荷

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.018

CLC NO.: U464.171Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-46-03

引言

曲軸是發動機的最重要的零部件之一，其自身的強度和剛度對發動機的可靠性有著決定性的影響，而曲軸的平衡性能也會對曲軸自身及發動機主軸承的工作條件產生影響，因此曲軸的優化設計對提高發動機可靠性和耐久性，甚至整機的振動、油耗都具有重要意義。

直列四缸內燃機曲軸通常采用曲拐夾角為180°的對稱平面曲軸結構，其本身已動平衡，但要承受較大的內彎矩[1]。為使曲軸達到內平衡需要布置平衡重，合理的布置平衡重可以有效減少曲軸受力、主軸承負荷及內力矩，四缸機平衡重布置通?？砂捶侄纹胶夥ú贾盟膲K平衡重，或按完全平衡法布置八塊平衡塊。四平衡塊布置法結構簡單、重量輕，但內彎矩大、單個平衡重大，而八平衡塊布置法相對來說結構較為復雜，重量較重，內彎矩較小、單個平衡重小、對軸承的載荷較小。

隨著計算機技術在發動機開發中的應用日趨廣泛，曲軸的設計開發也更加高效、準確、全面、可靠。通過以PRO/E等計算機三維軟件的廣泛應用，使曲軸結構設計更加高效、準確，也使曲軸的結構優化更加便利的實現。而通過以AVL Excite等仿真軟件的應用也為曲軸設計完成后提供模擬仿真，使得虛擬驗證成為一項重要的向工程師提供合理的改進優化建議的方法[2]。

東安汽發在開發一款高性能汽油機中，采用兩種曲軸平衡重的布置方案即一種方案為四平衡重，一種為八平衡重。兩種方案曲軸采用相同的材料及主軸直徑、連桿直徑、潤滑油道布置等基本結構，也設計成相同的重量和曲軸系統平衡率。通過仿真軟件模擬結果對比兩種曲軸自身強度以及對軸承的載荷、軸承摩擦功耗等各項參數，確定更優的曲軸詳細設計方案。設計過程中也對相同曲軸系統平衡率的四平衡重和八平衡重曲軸的油膜壓力、油膜厚度等參數進行了對比，為后續四缸直列汽油機整機平衡設計與曲軸的優化設計提供有力借鑒。

1、兩種曲軸方案概述

1.1方案一

方案一采用本機型同系列產品的基本結構，采用四平衡重曲軸的基本結構，曲軸平衡率根據本系列同類曲軸系統相同，確定為90%。曲軸結構三維視圖見圖1，曲軸平衡率計算見表1，曲軸質量為10.294kg。

圖1　方案一曲軸三維視圖

表1　方案一曲軸平衡率計算

1.2方案二

方案二采用八平衡重的平衡重配置方式，通過采用PRO/E三維CAD軟件不斷對平衡重結構動態優化，同時保證了平衡率及曲軸重量與方案一相同,并且曲軸自身達到靜、動平衡。

圖2　方案二曲軸三維視圖

表2　方案二曲軸平衡率計算

2、仿真模型的建立

采用AVL Excite軟件分別對方案一、方案二的曲軸進行曲軸系統動力學仿真分析。

曲軸參數通過PRO/E軟件測量、計算得出。缸壓曲線來自于GT-POWER對整機建模后性能計算得出。在模型載荷中加載發動機從1000rpm～5500rpm的示工圖數據，并對加載數據進行檢查，圖3為4500rpm的示工圖。

圖3　曲軸系統動力學仿真分析模型

圖4　4500rpm 缸壓曲線

3、計算結果分析

曲軸平衡重布置方案的不同對連桿軸承影響不大，在此不做對比。而對曲軸自身受力以及主軸承載荷有一定影響，以下對兩種方案的主軸承最大載荷、主軸承最小油膜厚度、主軸承摩擦功耗、曲軸圓角應力、曲軸圓角安全系數結果進行比對和分析。

3.1主軸承最大單位載荷對比

主軸承載荷大小主要取決于軸承兩側的缸內壓力以及曲柄連桿機構慣性力。其中缸內壓力是決定軸承負荷的主要因素，從圖5可以看出，因為第二、第四相鄰兩缸的點火間隔為180°CA，受相鄰兩缸連續爆發壓力影響，最大主軸承載荷相比最大[3]，第三主軸承相鄰兩缸點火間隔360°CA，受相鄰兩缸爆發壓力不是連續的，所以最大軸承載荷偏小，第一、第五主軸承位于曲軸的兩端只承受一個缸爆發壓力的影響所以最大軸承載荷也偏小，并且與第三主軸承數值相近。

而慣性力影響較小，從圖5就可以看出第一、第三、第四、第五主軸承的載荷都沒有明顯變化，而第二主軸承下降了0.44MPa（占原軸承載荷的2.8%）。

圖5　主軸承最大單位載荷對比

3.2主軸承最大單位載荷對比

主軸承最小油膜厚度主要取決于軸承載荷，載荷越大軸承的最小油膜厚度越小，從圖5和圖6對比可以看出。兩種方案最小油膜厚度變化不大且均大于1μm，遠遠滿足設計要求。

圖6　主軸承最小油膜間隙對比

3.3曲軸圓角應力對比

曲軸軸頸和曲柄連接的圓角處和油孔附近是曲軸應力集中最嚴重的部位，尤其一圓角處更為突出，所以校核曲軸圓角的應力是曲軸設計較為重要的內容。圖7為兩種方案主軸頸圓角與曲柄銷頸圓角的對比情況。

從圖7可以看出主軸頸和曲柄銷頸圓角應力在發動機最大扭矩點轉速下最大，而第五主軸承臂受力最大。方案一最大圓角應力為190MPa，方案二最大圓角應力為182MPa，比方案一減少4.2%。

圖7　曲軸圓角應力對比

3.4曲軸圓角安全系數對比

曲軸的安全系數即曲軸強度的儲備系數，表示曲軸本身的疲勞強調與工作應力之比。

圖8為曲軸圓角安全系數的對比， 從圖可以看出曲軸最小安全系數在最大扭矩點轉速4500rpm，方案一、方案二的主軸頸最小安全系數均為3.6左右，曲柄銷頸最小安全系數均為3.6左右。方案一主軸頸圓角最小安全系數分布在2000rpm～5000rpm之間，發生在第四、第五、第八曲柄臂處。方案二則分布在汽車實際使用時發動機不經常工作的4000 rpm～5000 rpm之間。方案一和方案二曲柄銷頸圓角最小安全系數分布情況基本相當。

圖8　曲軸圓角安全系數對比

4、總結

1）通過采用PROE等三維建模軟件完全可以實現曲軸結構設計的動態優化，使在保證平衡率、主軸直徑、曲柄銷直徑等基本參數不變的情況下，將八塊平衡重布置結構的曲軸重量降到最低。

2）采用八平衡重的曲軸在與四平衡重曲軸在相同平衡率的情況下，主軸承載荷、主軸承油膜厚度、曲柄銷處圓角安全系數，均未能達到想象中顯著改善的效果。

3）采用八平衡重的曲軸的最小安全系數從四平衡重的2000rpm～5000rpm的范圍有效縮小到4000rpm～5000 rpm之間。從而有效降低了汽車在使用期間曲軸失效的風險。

4）綜上所述八平衡重曲軸在軸承載荷以及曲軸自身結構強度上，具備一定優勢。但四平衡重曲軸質量小，成本低的優勢毋庸置疑，設計開發時需要綜合評判各取所需，本文希望對今后的曲軸平衡重布置方案的選擇提供借鑒意義。

[1] 楊連生.內燃機設計,1980.

[2] 梁立峰.高性能汽油機曲軸設計與工程分析,2012.

[3] 李勛,畢玉華等.直列4缸發動機曲軸平衡方案研究,內燃機車2011.

Inline 4-cylinder gasoline engine crankshaft optimal design and engineering analysis

Li Guohua, Pan Shenglin, Ren Weiwei, Yan Likai, Xu Jingbin
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

In this paper, a gasoline engine crankshaft structural optimization instance of Dong'an automotive engine company's was given. ON the premise of on change of the weight and balance rate of the crankshaft, we achieve results of reducing work load of the crankshaft and optimizing the crankshaft load distribution through rearranging crankshaft counterweight and optimizing crankshaft structure. Also at the same balance rate, two rearranging programs of four-counterweight and eight-counterweight were made comparison on film Thickness of thrust bearing and the load.

gasoline engine; counterweight arrangement; crankshaft load; bearing load

∶U464.171

∶A

∶1671-7988 (2016)09-46-03

李國華（1979-），男，工程師，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心。研究方向發動機、曲軸設計、發動機軸承設計。