某汽油機曲軸FEA分析

馮瑋瑋，許濤

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

某汽油機曲軸FEA分析

馮瑋瑋，許濤

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

對某汽油機的曲軸進行仿真分析，主要包括飛輪轉速不均勻性、主軸承彈性液動力分析以及曲軸強度的計算等。計算結果顯示：以上指標均在可接受范圍內，滿足使用要求。

曲軸；FEA分析；轉速波動；應力

0 引言

曲軸是發動機的關鍵零部件，其作用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉化成力矩，用來驅動汽車的傳動系統、發動機的配氣機構以及其他輔助裝置。曲軸的工作環境較為惡劣，受到周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用，同時承受著彎曲和扭轉交變載荷，因此，曲軸必須具有足夠的抗彎曲、抗扭轉的強度和剛度。

文中將對某汽油機的曲軸的基本強度進行分析，首先進行一維性能分析，計算飛輪的轉速波動量以及主軸承的工作狀態，然后利用三維有限元軟件ABAQUS對曲軸的強度進行仿真分析，并對曲軸的強度和安全性進行評價，為詳細設計提供參考。

1 分析過程

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

1.1 劃分網格

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

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

根據曲柄銷的受力，求出應加載的幅值，然后施加到各個對應的曲柄銷上進行分析。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個方向自由度，但是這樣算出來的結果往往與實際結果偏差較大。合理的做法是通過在軸承處加支反力來進行約束。

1.3 材料屬性

表2是計算過程中需要用到的曲軸材料屬性。

表2 曲軸材料屬性

2 結果分析

2.1 飛輪轉速波動

轉速波動是反映曲軸系工作過程中，由于缸內壓力的變化，導致曲軸轉速的變化率。它是由發動機持續點火的運行機制導致的轉速不穩定，反映了運轉的平順性，轉速波動過大則會導致發動機傳輸扭矩波動大，從而引起整機較大的振動。其評價指標為1 500 r/min工況下，轉速波動小于0.25。

圖2所示的是曲軸轉速波動的計算結果?？梢钥吹剑恨D速波動明顯小于0.25的評價標準，因此滿足要求。

2.2 EHD(Elastohydrodynamic，彈性液動力)計算結果

進行EHD需更改主軸承的計算建模類型，一般使用EHD2模型。EHD計算結果主要是2個指標：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標準為大于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，均滿足評價標準，說明軸承潤滑狀態良好，工作正常。

2.3 最大應力計算結果

此次計算是從最大爆發壓力工況點(4 000 r/min)開始，到額定工況點(5 500 r/min)。在結果分析中，包含了4個缸分別出現最大爆發壓力時，曲軸的應力分布情況。

圖5是不同轉速條件下，曲軸受到的最大應力隨轉速的變化曲線。可以看到：曲軸在4 000 r/min時，即最大爆發壓力工況下，最大應力值高于其他轉速下，達到293.6 MPa。

圖6是4 000 r/min時，曲軸的應力分布情況?？梢钥吹剑鹤畲髴Τ霈F在第四缸連桿軸頸圓角位置附近。由于曲軸材料為49 MnVs3，其屈服應力為600 MPa，因此其安全系數高達2，所以符合強度要求，該曲軸結構比較安全。

3 結論

對某汽油機的曲軸進行了仿真分析，計算主要包括飛輪轉速不均勻性、主軸承EHD(彈性液動力)分析以及曲軸強度計算等。具體計算結果如下：

(1)飛輪轉速波動明顯小于0.25的評價標準，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，均滿足評價標準，說明軸承潤滑狀態良好，工作正常。

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

【1】周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社,1998.

【2】馬瑞恒,李詩新，丁香乾,等.6160A-17柴油機曲軸強度計算[J].內燃機與動力裝置，1998(3):21-23.

【3】韋瑩.9L210柴油機曲軸強度計算及疲勞分析[J].內燃機與配件，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，研究方向為發動機設計。E-mail:weiwei_feng2007@163.com。

U464.171

A

1674-1986(2016)06-039-03