柴油機曲柄連桿機構模態及活塞特性分析

高廣強，蔡衛國，尚振國，武立波

（大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023）

柴油機曲柄連桿機構模態及活塞特性分析

高廣強，蔡衛國，尚振國，武立波

（大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023）

以S195型柴油機為例，應用Inventor軟件對曲柄、連桿及活塞進行實體建模。利用Autodesk Algor軟件對曲柄、連桿進行自由模態分析，對活塞溫度場、應力場進行有限元仿真分析。模態分析及活塞特性結果為柴油機性能優化提供了可靠依據。

曲柄連桿；模態分析；活塞特性；性能優化

曲柄連桿機構是柴油機的重要組成部分，它將活塞的往復運動通過連桿轉變為曲柄的旋轉運動。曲柄、連桿和活塞系統是柴油機中結構最為復雜、承受載荷最大的部件，它的性能直接影響著柴油機的可靠性和壽命[1～2]。對曲柄、連桿和活塞系統進行建模仿真，可以更好地進行零部件結構優化設計和性能分析，為柴油機整體結構減振、降噪打下基礎[3]。

本文以S195型柴油機為例，首先利用Inventor軟件對曲柄、連桿及活塞進行實體建模，然后，應用Autodesk Algor軟件對曲柄、連桿進行模態分析，并對活塞溫度場、應力場進行了仿真計算分析，為柴油機性能優化提供了可靠的理論依據。

1 實體模型建立

S195柴油機是小型臥式、單缸、四沖程、蒸發水冷式冷凝水冷發動機，具有結構輕巧、移動方便、安裝簡單、運轉平穩操作簡易和工作可靠等特點，其主要技術參數如表1所示。

表1 S195型柴油機主要技術參數

S195柴油機曲柄連桿系統由曲柄、連桿、活塞等主要零部件組成，根據Cad圖紙進行1:1比例建模，利用Autodesk Inventor軟件建立的三維實體模型如圖1所示。

圖1 實體模型

2 曲柄、連桿模態分析

模態分析用于確定機構或部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數，同時也是其他動力學分析問題的起點[4]。

2.1 曲柄模態分析

將曲柄實體模型導入Autodesk Algor有限元分析軟件中，單元類型設置為四面體，采用自動網格劃分，材料設置為AISI1005 steel，對應的基本特性是：質量密度為 7.872E+03kg/m3，彈性模量為 2.0E+11N/m2，泊松比為0.29。由于較低階的固有頻率對系統的動態響應影響最大，因此觀察曲柄第7到第10階振型，如圖2所示。

第7階振型固有頻率為1 142 Hz，振型如圖2（a）所示：曲軸以主軸頸為中點，曲軸兩端作對稱的左右擺動；第8階振型固有頻率為1 272 Hz，振型如圖2（b）所示，曲軸的左端伴有逆時針的小幅扭轉；第9階振型固有頻率為1 653 Hz，振型如圖2（c）所示，曲軸左端逆時針扭轉，曲軸右端作反向的小幅轉動；第10階振型固有頻率為2 165Hz，振型如圖2（d）所示：曲軸右端作大幅度的扭轉。通過觀察曲柄的振型圖，得到曲柄的低階模態基本是以扭轉振動為主要變形形式，利用分析結果，在設計中根據曲柄的固有頻率，避開曲柄危險的頻率段，既可以保證曲柄的安全運行又可以延長曲柄的使用壽命。

圖2 曲柄振型

2.2 連桿模態分析

連桿有限元網格劃分采用四面體單元，自動劃分網格，材料選用合金鋼，選用20節點Solid92單元，連桿劃分共產生節點總數為15 081個，單元總數為9 862個。連桿材料特性為彈性模量2.0E+11N/m2，泊松比0.3，質量密度為7.8E+3 kg/m3。連桿第7到第10階振型如圖3所示。

圖3 連桿振型

由上述振型圖可以得出連桿的振動形式集中表現為彎曲振動。其中，第7階振型為繞y軸的略微扭轉振動，應力集中在連桿小頭部分；第8階振型為繞z軸的彎曲振動，應力集中在桿身，節點位置在桿身的中部；第9階、第10階振型為繞x軸的彎曲振動，連桿大頭與桿身結合處應力較為集中，變形明顯，節點位置在連桿的頭部。由此可見，連桿應力主要集中在桿身與大、小頭的連接部位，但桿身的中間部位應力也應該在設計中充分考慮。

3 活塞特性分析

3.1 溫度場分析

建立活塞實體模型后，應用Autodesk alogr軟件對活塞進行穩態熱分析。活塞頂部溫度場分布如圖4所示，等溫面分布如圖5所示。從圖中可知，穩態下活塞外側面沿軸由上到下溫度遞減，活塞頂部穩態條件下表面溫度最高，燃燒室的上部溫度可達364.65℃，第一環槽處溫度約為320℃，活塞銷處最高溫度大約為260℃。分析結果表明環槽因為存在冷卻油道從而使溫度明顯降低，環區溫度過高，會導致潤滑油失效，從而造成活塞環產生粘結，造成環槽磨損、變形，甚至報廢[5～6]。

圖4 活塞頂部溫度場分布圖

圖5 活塞溫度場等溫面分布圖

3.2 應力場分析

對活塞銷孔上表面進行固定約束，活塞頂部的燃氣爆發壓力按均布載荷處理。活塞應力分布如圖6所示，矢量位移如圖7所示。從圖中可知，活塞銷孔的上表面承受最大壓力為218MPa，應采用耐壓材質材料，另外，活塞銷孔的最大變形也在此處，對于活塞銷孔以及活塞銷的設計提出了更高的要求。

圖6 應力分布圖

圖7 矢量位移圖

4 結束語

通過對曲柄、連桿的模態分析，得到了曲柄、連桿的振型和固有頻率。通過對活塞的特性分析，得到了活塞的溫度場和應力場分布圖。得出以下結論：

（1）曲柄的低階模態以扭轉振動為主要變形形式，在設計中應避開曲軸危險的固有頻率段；連桿的應力一般集中在大、小頭連接部位,但桿身的中部應力集中現象也較明顯,因此在設計時應充分考慮，避免連桿的中部產生過多的彎曲振動；

（2）活塞的最高溫度位于活塞頂面燃燒室的邊緣附近，這就要求活塞燃燒室邊緣必須有合適的倒圓角，否則將引起熱應力集中和燒蝕現象。

[1]戴全春，趙建平.柴油機活塞溫度場和耦合應力計算[J].柴油機，2012，34（4）:39-43.

[2]代偉峰，樊文欣，程志軍.基于ANSYS的連桿模態特性分析[J].機械工程與自動化，2007（4）:39-41.

[3]李 鵬，張寶成，趙開敏.發動機曲柄連桿機構運動及動力特性分析與仿真[J].機電技術，2011（6）:103-105.

[4]李文軍.基于有限元傳動軸振動仿真與試驗的研究[J].機電產品開發與創新，2013，26（4）:96-97.

[5]王 凱，周 娜，蘇軼熊.4L132柴油機活塞設計及強度分析[J].柴油機設計與制造，2012，18（4）:15-21.

[6]成中清，蔡敢為，周曉蓉.6108柴油機曲軸有限元分析[J].裝備制造技術，2010（1）:27-29.

The Analysis of Crank Connecting Rod Modaland Piston Characteristic for DieselEngine

GAOGuang-qiang，CAIWei-guo，SHANG Zhen-guo，WU Li-bo
（SchoolofMechanicaland Power Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

As an example of S195 diesel engine,the 3D solid modeling of crank rod system has been established by using Autodesk inventor.Freemode of crank and connecting rod has been discussed using Autodesk algor simulation,besides the temperature field and stress field of the piston have been simulated.The results of three-dimensional finite elementanalysisprovide reliable basis for dieselengine performance optimization.

crank connecting rod；modeanalysis；piston characteristic；performance optimization

TK422

B

1672-545X（2014）04-0047-02

2014-01-04

高廣強（1990—），男，河南永城人，碩士研究生，研究方向：機械系統優化設計、虛擬仿真技術；通訊作者：蔡衛國（1970—），男，內蒙赤峰人，副教授，碩士生導師，研究方向：機械系統優化設計、機械振動監測與智能診斷。