某型發動機曲軸仿真設計與測試研究＊

王小龍，唐子淇

（成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106）

前言

曲軸是發動機的動力轉換和傳力部件，工程設計能力直接影響發動機的動力性指標、可靠性指標和耐久性指標。隨著行業競爭的加劇和設計方法的革新，企業多采用有限元法和跨學科領域的建模仿真法，縮短產品開發周期。有限元法是研究復雜工程問題的數值模擬方法，求解區域看作由許多小的在節點處相互連接的單元子域，進行單元網格劃分求解，它能很好地適應復雜的幾何形狀、復雜的材料特性和復雜的邊界條件。跨學科仿真平臺使得用戶可以搭建復雜的多學科領域系統的模型，快速分析單個元件或系統的穩態和動態性能。利用AMESim多學科仿真軟件建立發動機參數模型和六個子模型，標定設計參數仿真，模擬發動機實際運轉工況下的氣缸壓力、主動轉矩規律曲線，聯合ADINA有限元軟件將載荷規律曲線動態加載到曲軸曲柄銷，得到曲軸瞬態應力應變云圖，完成振動模態分析，按照 GB/T 19055-2003《汽車發動機可靠性試驗方法》進行臺架試驗[1]，驗證了該型曲軸結構設計的合理性。

1 有限元理論模型

1.1 發動機曲軸模型相關參數

該型曲軸的主要設計參數如表1所示：

表1 曲軸主要設計參數表

1.2 發動機AMESim模型

利用 AMESim軟件搭建發動機性能測試模型如圖 1所示，子模型有：燃油供給模型、發動機參數模型、曲柄連桿機構模型、配氣機構模型、進氣系統模型、EGR廢氣再循環模型、渦輪增壓模型、排氣系統模型等。

圖1 發動機主模型

按表1參數對模型進行初始化設置，發火順序1-3-4-2，模擬發動機轉速 3000r/min時，仿真測試得到發動機各個氣缸曲柄銷的主動轉矩曲線，如圖2所示；

圖2 各曲柄銷主動轉矩曲線

曲柄銷最大主動轉矩為 500N·m，已知曲拐半徑為59mm，計算得到連桿最大軸向沖擊載荷為22.37kN，最大拉伸載荷為8.81kN。將該結果作為曲軸有限元分析力的邊界條件，實現每個曲柄銷的動態載荷、按做功順序周期性加載，模擬曲軸真實的受載情況。

1.3 有限元分析

運用 CATIA軟件建立曲軸三維實體模型，忽略內部油道，模型另存為STP格式，導入ADINA軟件，定義材料為45鋼，采用有限元瞬態分析模塊模擬曲軸周期受載，將圖2各曲柄銷主動轉矩加載到曲軸的有限元實體模型上，分析曲軸應力變化規律[2]。

網格劃分：采用四節點高階四面體固體單元，網格密度3mm，倒角處采用精細化網格劃分，網格密度0.5mm，整體網格為自由網格劃分，單元數為424591個單元。

邊界條件：在曲軸的安裝中心作一個轉動中心線和一個固定約束，約束XYZ的平動和YZ的轉動。模擬曲軸左右兩端的軸承約束情況，實際裝配情況和施加約束一致。將連桿軸頸兩個受力面與轉動軸線做一個Rigid Link剛性連接。

圖3 應力最大時刻云圖

圖4 節點應力周期變化曲線

荷載添加：提取一個周期9.02s每個缸的轉矩載荷曲線，加載到對應曲軸連桿軸頸上。發動機按照1-3-4-2做功，將一個周期 9.02s的轉矩數據作為發動機的動態載荷加載，動態載荷分別加載至1、2、3、4缸的連桿軸徑上。在1、2、3、4缸主軸頸的X方向添加約束，對曲軸飛輪端、曲軸后端添加X方向的約束。

由曲軸的應力變化過程可知，在0.011s時刻，出現應力最大節點，云圖如圖3所示，節點應力最大值是節點21422，提取該節點應力在整個周期的變化曲線，得到該型曲軸的最大應力為84.7MPa，如圖4所示。

1.4 曲軸模態分析

擬定曲軸轉速n=3000r/min，著火間隔角180度，激勵頻率為f=2n/60，頻率范圍為20～100Hz。計算前6階自由模態[3]，部分模態振型如圖5、圖6所示。

圖5 Z向一階彎曲振型

曲軸 Z向一階彎曲振型，固有頻率 234Hz，阻尼比4.786%。Y向一階彎曲固有頻率324Hz，阻尼比6.2%。Z向二階彎曲固有頻率572 Hz，阻尼比6.173%。Z向三階彎曲固有頻率627Hz，阻尼比5.24%。

圖6 Z向二階彎扭振型

曲軸 Z向一階彎扭振型，固有頻率702Hz，阻尼比7.812%。曲軸Z向二階彎扭振型，固有頻率909Hz，阻尼比6.396%。曲軸最低頻率為Z向一階彎曲振型234Hz，隨著階次上升，固有頻率逐漸增加，最低固有頻率小于激勵頻率，滿足避開共振的設計要求，曲軸結構設計合理[4]。

2 整機臺架試驗

2.1 發動機耐久試驗

圖7 冷熱沖擊界面

曲軸彎曲疲勞失效是非增壓、低扭矩發動機最常見的破壞形式[5]。為了真實測試曲軸的動態性能，根據GB/T 19055-2003《汽車發動機可靠性試驗方法》開展了整機耐久試驗，裝配兩臺發動機樣機。分別完成了1000小時混合負荷試驗、300小時冷熱沖擊試驗[6]。冷熱沖擊試驗界面如圖7所示。

2.2 結果分析

裝備該型曲軸的兩臺發動機樣機經受住 1000小時混合負荷試驗，300小時冷熱沖擊試驗。對發動機樣機進行拆解，分析曲軸磨損情況，測量區域為軸頸直徑、軸頸圓度和圓跳動等。曲軸軸徑磨損數據如表2所示。

表2 曲軸軸頸磨損數據

所有軸頸的磨損量都小于1mm，結果良好。軸頸表面實際磨痕分析，曲軸未出現明顯形變和局部裂紋，出現的均為周向磨痕，局部點有鉤狀磨痕，軸頸表面沒有膠合、塑性變形等失效模式。

3 結論

基于有限元理論對曲軸三維實體進行了應力應變計算、模態分析和曲軸工程試驗驗證，結果表明：

（1）應用有限元求解得出，在曲柄銷和曲軸軸徑處的應力最大，能夠快速求解較復雜工程問題，求解應力最大點和危險區域。

（2）計算得到六階自由模態，Z向一階彎曲振型，固有頻率234Hz，激勵頻率范圍20～100Hz，滿足避開共振設計的要求。

（3）按照GB/T 19055-2003《汽車發動機可靠性試驗方法》在臺架上完成了1000小時混合負荷試驗和300小時冷熱沖擊試驗，軸頸的磨損量都小于1mm，驗證了基于有限元法進行曲軸工程設計的正確性。