基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞壽命分析

趙軍

摘要：基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的動(dòng)態(tài)特性，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作工況的時(shí)間歷程載荷譜，結(jié)合曲軸材料疲勞特性和疲勞壽命理論計(jì)算方法對(duì)曲軸疲勞壽命進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明在發(fā)動(dòng)機(jī)生命周期內(nèi)曲軸能夠安全可靠運(yùn)行，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的壽命進(jìn)行理論驗(yàn)證，提高結(jié)構(gòu)可靠性。

Abstract： Automobile engine dynamics simulation model which is based on virtual prototype technology， analyzes the dynamic characteristic of the engine crankshaft， obtain the time course of the working condition of engine crankshaft work load spectrum， combined with the theoretical calculation method of fatigue life of crankshaft material fatigue property and the simulation for the crankshaft fatigue life is calculated， the results show that in the life cycle engine crankshaft can be safe and reliable operation， using the theory of virtual prototype technology to the life of the engine crankshaft and authentication， improve the structural reliability.

關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué);曲軸;可靠性;仿真技術(shù)

Key words： dynamics;the crankshaft;reliability;simulation technology

中圖分類號(hào)：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0060-02

0? 引言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零部件，曲軸的疲勞壽命直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。由于曲軸設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜以及在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中曲軸所受載荷難以準(zhǔn)確獲取，對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)壽命無法準(zhǔn)確計(jì)算。目前在工程實(shí)際計(jì)算機(jī)仿真方法是分析各種機(jī)械結(jié)構(gòu)問題的有效工具，可以分析幾何形狀較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的邊界條件以及各種性質(zhì)的材料在工況載荷條件下響應(yīng)，能夠接近實(shí)際的反應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及其可靠性。因此本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作工況的時(shí)間歷程載荷譜，結(jié)合曲軸材料疲勞特性和疲勞壽命理論計(jì)算方法對(duì)曲軸疲勞壽命進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證曲軸設(shè)計(jì)的可靠性。

1? 曲軸虛擬樣機(jī)仿真模型的建立

將三維設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)軟件建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，添加部件之間的運(yùn)動(dòng)約束和接觸，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行柔性化，建立的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示，仿真參數(shù)，如表1所示。

2? 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作載荷

本文研究的是四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，氣缸的工作順序?yàn)?-3-4-2，各個(gè)氣缸以180度的間隔進(jìn)行點(diǎn)火，各個(gè)氣缸的受載趨勢(shì)一樣，只是存在一定的相位差。如圖2所示為某汽車廠家通過實(shí)驗(yàn)獲得的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)在曲軸不同轉(zhuǎn)角下的氣缸壓力曲線，根據(jù)曲軸工作原理可知，四缸氣缸所受的載荷數(shù)值樣，因點(diǎn)火工作順序的差異，所以曲軸載荷出現(xiàn)最大值時(shí)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相差180度，虛擬樣機(jī)仿真計(jì)算時(shí)以氣缸壓力曲線作為載荷加載到4個(gè)氣缸的活塞表面。

3? 曲軸動(dòng)力學(xué)特性分析

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度、接觸力、驅(qū)動(dòng)力矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸應(yīng)力、變形等信息，圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中曲軸連桿軸頸的受力曲線，方向?yàn)榇怪庇谶B桿軸頸表面，從圖3中可知，曲軸連桿軸頸受力隨著曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化而變化，由于曲軸與連桿交接出存在一定的裝配間隙，曲軸在運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)副間會(huì)發(fā)生沖擊碰撞，導(dǎo)致在啟動(dòng)時(shí)刻，曲軸受到了較大瞬時(shí)沖擊力。

圖4是四缸發(fā)火時(shí)曲軸的應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力值為198MPa，最大應(yīng)力可作為后面疲勞壽命計(jì)算的參考[1]，根據(jù)應(yīng)力仿真結(jié)果可知，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中連桿軸頸與曲柄連接處應(yīng)力較大，這是曲軸工作應(yīng)力集中部位，即曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的疲勞壽命薄弱部位。

在進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析后，曲軸柔性體的節(jié)點(diǎn)或單元上保留了所經(jīng)歷的時(shí)間載荷數(shù)據(jù)，如圖5為第一缸連桿與曲軸頸連接處節(jié)點(diǎn)的時(shí)間歷程載荷曲線。輸出曲軸表面所有單元節(jié)點(diǎn)上的時(shí)間歷程載荷數(shù)據(jù)，可進(jìn)行下一步的曲軸表面疲勞壽命預(yù)測。

4? 疲勞壽命分析

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件中Durability疲勞分析模塊進(jìn)行曲軸疲勞壽命分析，根據(jù)雨流計(jì)數(shù)原理[2]可獲得結(jié)構(gòu)表面所經(jīng)歷的載荷譜應(yīng)力循環(huán)幅值、應(yīng)力的平均值及應(yīng)力的循環(huán)作用次數(shù)。如圖6所示為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸表面的載荷雨流統(tǒng)計(jì)三維圖。并輸入曲軸材料的S-N曲線[3]，加載曲軸一個(gè)工作周期的時(shí)間歷程載荷譜，對(duì)曲軸的疲勞壽命進(jìn)行仿真計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果如圖7所示，曲軸表面最小疲勞壽命部位與應(yīng)力仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)，位于曲軸軸頸邊緣處，其壽命的最小循環(huán)次數(shù)為1.01e10次，曲軸工作轉(zhuǎn)速按3000r/min計(jì)算，其壽命等效于33666.7小時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)每天實(shí)際工作時(shí)間按8小時(shí)計(jì)，則發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的工作壽命約為20年，理論仿真驗(yàn)證結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸疲勞壽命足夠，能夠達(dá)到使用年限要求。

5? 結(jié)論

基于計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，加載發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作載荷對(duì)曲軸動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，獲得了曲軸的動(dòng)態(tài)特性及受力情況，驗(yàn)證了曲軸結(jié)構(gòu)薄弱部位的強(qiáng)度，同時(shí)基于多體動(dòng)力學(xué)仿真獲取的時(shí)間歷程載荷譜及曲軸材料疲勞特性進(jìn)行疲勞仿真分析，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的疲勞壽命，應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)仿真方法從理論上分析曲軸設(shè)計(jì)的可靠性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作壽命。

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