某曲軸結構參數疲勞特性影響研究

魯國慶

摘要：針對給定的某款六缸柴油機曲軸，采用有限元法對其在彎矩載荷作用下的應力狀態進行分析，在此基礎上結合正交試驗設計，分析一些主要的結構參數對曲軸彎曲疲勞強度的影響。研究結果表明，曲軸的主要結構參數中，過度圓角的半徑值對曲軸的結構疲勞特性影響最大，其次為曲柄的厚度，最后則是重疊度。通過該研究，為曲軸的結構抗疲勞設計提供一定的理論依據與指導。

關鍵詞：柴油機曲軸;ABAQUS有限元分析;正交試驗設計

0? 引言

曲軸是發動機的重要零部件之一，在工作過程中將連桿傳遞來的彎矩轉化為轉矩，并傳遞給傳動系統驅動整車的工作，因此對其往往具有較高的強度要求[1]。

在實際工程應用當中，受限于發動機的制造成本，一般曲軸的零部件材料都是比較固定的（通常球墨鑄鐵或者調質鋼）;同時由于發動機燃油經濟性以及動力性的設計要求，發動機零部件在實際工作過程中所承受的載荷也是固定的。因此在對曲軸等零部件進行結構抗疲勞設計時，研究的重點往往就在于如何合理地設計零部件的結構參數，以盡可能地提高零部件的疲勞強度。本文針對給定的六缸柴油機曲軸，采用有限元法對其在彎矩載荷作用下的應力狀態進行分析，在此基礎上采用正交試驗設計法，分析主要結構參數對曲軸疲勞強度的影響，為曲軸的結構抗疲勞設計提供一定的指導。

1? 曲軸幾何模型的建立

現有研究表明，對于大部分的曲軸，彎矩載荷對其疲勞失效有著決定性的影響，85%以上的曲軸都是因為彎矩載荷的作用而導致疲勞失效，而扭轉載荷僅占據次要的地位同時由發動機自身工作的均勻性可知，對于多缸機曲軸，各缸在額定工況下各缸的爆發壓力基本一致，同時各個單拐的結構參數也是一致的，因此往往認為各曲拐所承受的彎矩也是一致的。基于此理論基礎，通過對某一曲拐進行疲勞研究，就可以對整軸的彎曲疲勞特性做出評價[2]。

本文研究對象為給定的某型號的六缸柴油機的曲軸，采用三維CAD建模軟件CATIA進行逆向設計，建立該曲軸的三維幾何模型，建模過程中忽略掉倒角、凸臺等一些對曲軸彎曲疲勞特性影響不大的微觀結構，所建三維幾何模型如圖1所示。

2? 曲軸有限元分析

2.1 曲軸有限元模型的建立

本文中，曲軸的材料為42CrMo鋼，其材料屬性參數如表1所示。采用hypermesh軟件對曲軸的單拐模型進行網格的劃分，其中圓角等應力集中區域內網格加密細化，所劃的網格模型如圖2所示。

如圖3所示，由圣維南原理可知，在進行曲軸在彎矩載荷作用下的有限元分析時，可以將彎矩載荷施加在單拐的左截面，同時約束住右截面所有節點的自由度[3]。

2.2 有限元分析結果分析

基于上述有限元模型，對曲軸在額定工況下的應力狀態進行分析，結果如圖4所示。當曲軸在彎矩載荷作用下時，Von Mises應力的最大值出現在曲柄銷圓角部位，其值為272MPa，這也是曲軸最容易產生疲勞破壞的位置。

3? 曲軸正交試驗設計及分析

曲軸單拐模型中，主要結構參數包括主軸頸半徑，連桿頸半徑，過渡圓角半徑，曲柄厚度以及重疊度。這其中連桿頸和主軸頸需要分別與連桿以及機體進行裝配，結構尺寸改動受到一定的限制，因此本文主要選擇對其余幾項參數進行分析，采用正交試驗法設計不同結構尺寸的曲軸單拐模型[4]，并采用同樣的有限元法對該模型在額定載荷工況下的的應力值進行分析，結果如表2所示。

如表2所示，本文采取的是L9（34）正交表進行分析，采用極差分析法對表2中的試驗結果進行分析，可得過度圓角半徑、重疊度以及曲柄厚度這三項因素導致的極差值分別為149MPa，75MPa以及31MPa，因此相關結構參數中，過渡圓角半徑對曲軸的疲勞強度影響最大，在可以針對性其進行改進以增強曲軸的疲勞強度。

4? 結論

采用有限元法結合正交試驗設計，對某款六缸柴油機的曲軸進行數值仿真，分析其主要結構參數對疲勞強度的影響。研究結果表明過度圓角半徑對曲軸的彎曲疲勞特性有較大的影響，因此在結構抗疲勞設計時可以有針對性的改進。

參考文獻：

[1]CHEN Xiao-ping， YU Xiao-li， JI Bing-wei. Study of crankshaft strength based on Insight platform and DOE methods. 2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation， 2010， 3， 548-551.

[2]孫嵩松.鋼曲軸結構疲勞特性預測方法研究[D].浙江大學，2017.

[3]孫嵩松，萬茂松，王慧.基于改進多軸疲勞模型的曲軸疲勞研究[J].機電工程，2019（08）：797-802.

[4]《正交試驗法》編寫組.正交試驗法[M].北京：國防工業出版社，1976.

[5]鄭昊天，董飛瑩，顧俊杰，吳亞龍，孫思玥.某型柴油機曲軸系強度分析[J].內燃機與配件，2019（14）：49-52.