發動機曲軸的靜應力分析

(1.安徽理工大學機械工程學院 安徽 淮南 232001；2.安凱福田曙光車橋公司 安徽 合肥 230000)

前言

發動機曲軸軸系的扭轉振動最終會導致曲軸軸系發生扭斷故障會導致發動機的壽命降低、甚至是曲軸斷裂。因此在發動機曲軸軸系的研究工作中最重要的就是對發動機曲軸軸系的扭轉振動特性進行研究。隨著許多有限元軟件以及多體動力學仿真軟件相繼出現并且更趨于完善，這些軟件得到廣泛的運用。本文選擇Solidworks軟件對某款直列四缸的發動機曲軸進行三維建模，并Simulation模塊對所建模型進行靜應力分析。

一、曲軸的結構及受力分析

本文選取某款直列四缸發動機曲軸為研究對象，該曲軸主要由主軸頸、曲柄、平衡重、連桿軸頸、前端軸和后凸緣等組成。該款發動機的點火順序為1-3-4-2，其氣缸的缸徑為80mm。當處于一缸點火的工況下，各缸的缸內壓力和運行工況如表1所示。

表1 發動機各缸工況表

根據各缸的缸內壓力和缸徑大小，可以求得各缸通過連桿作用在連桿軸頸上力的大小，其中F1=32656N、F2=4019.2N、F3=2512N、F4=452.16N、當轉速為3000r/min時，前端軸所受轉矩約為T=150N.m。

二、曲軸三維模型的建立

首先需要通過Solidworks三維建模軟件建立所需實體模型，然后再通過Simulation模塊對模型進行有限元分析，建模結果如圖1所示。

圖1 發動機曲軸三維模型

三、曲軸的有限元分析

通過Simulation模塊對曲軸模型進行材料屬性定義、施加約束和載荷及劃分網格等，具體步驟如下：

(1)發動機曲軸常用碳鋼或中碳合金鋼經模鍛而成，本文選擇34CrNiMo6作為曲軸的材料來進行分析，且假設曲軸材料組成是各向同性并且均勻的，其材料具體參數如表 2所示。

表2 曲軸材料參數表

(2)在主軸頸處添加軸承夾具，在連桿軸頸和前端軸處分別施加外部載荷，其中連桿軸頸處受力大小為理論受力分析計算所得，查閱相關資料確定前端軸處所受轉矩大小，外部載荷和夾具的施加。

(3)在應用有限元分析問題時，單元的類型和網格的劃分在一定程度上決定了求解問題的計算精度。采用標準網格對曲軸模型進行網格劃分，其節點總數為57390個，單元總數為34297個，網格品質高。

(4)運行此算例，得到曲軸的應力、位移和應變圖，如圖2至圖4所示。從圖中可以看到最大應力處受力為140.5Mpa,遠小于屈服力1000Mpa,滿足強度要求。

圖2 曲軸的應力圖

圖3曲軸的位移圖 圖4曲軸的應變圖

通過探測可知，整個零件安全系數較低的地方出現在一缸位置的油孔、主軸頸和連桿軸頸的過渡圓角處，位移變化最大的為一缸曲拐的平衡重處，其中主軸頸處所受應力最大為140.5Mpa、油孔處應力為81.07Mpa、連桿軸頸處應力為115.1Mpa，均遠低于材料的屈服強度，但考慮到實際應用中曲軸所處的惡劣工作環境，所以這幾處應作為重點的強化對象進行局部淬火調質處理進行強化，以保證安全性。

本文只研究了一缸處于點火位置時的受力工況，從曲軸的結構以及布置形式來看，其它各缸的處于最大受力位置時的應力分布可由此類推得到，故在此處不需要重復計算，曲軸的靜態強度存在一定的安全冗余。

四、總結

根據曲軸靜應力分析結果在連桿軸頸的油孔處、主軸頸和連桿軸頸的過渡圓角處出現集中應力，可以進行局部調質處理以提高曲軸的強度，從而可以延長曲軸的工作壽命。仿真結果對本領域后續的相關研究具有一定的參考價值。