某型发动机曲轴仿真设计与测试研究＊

王小龙，唐子淇

（成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106）

前言

曲轴是发动机的动力转换和传力部件，工程设计能力直接影响发动机的动力性指标、可靠性指标和耐久性指标。随着行业竞争的加剧和设计方法的革新，企业多采用有限元法和跨学科领域的建模仿真法，缩短产品开发周期。有限元法是研究复杂工程问题的数值模拟方法，求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元子域，进行单元网格划分求解，它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。跨学科仿真平台使得用户可以搭建复杂的多学科领域系统的模型，快速分析单个元件或系统的稳态和动态性能。利用AMESim多学科仿真软件建立发动机参数模型和六个子模型，标定设计参数仿真，模拟发动机实际运转工况下的气缸压力、主动转矩规律曲线，联合ADINA有限元软件将载荷规律曲线动态加载到曲轴曲柄销，得到曲轴瞬态应力应变云图，完成振动模态分析，按照 GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》进行台架试验[1]，验证了该型曲轴结构设计的合理性。

1 有限元理论模型

1.1 发动机曲轴模型相关参数

该型曲轴的主要设计参数如表1所示：

表1 曲轴主要设计参数表

1.2 发动机AMESim模型

利用 AMESim软件搭建发动机性能测试模型如图 1所示，子模型有：燃油供给模型、发动机参数模型、曲柄连杆机构模型、配气机构模型、进气系统模型、EGR废气再循环模型、涡轮增压模型、排气系统模型等。

图1 发动机主模型

按表1参数对模型进行初始化设置，发火顺序1-3-4-2，模拟发动机转速 3000r/min时，仿真测试得到发动机各个气缸曲柄销的主动转矩曲线，如图2所示；

图2 各曲柄销主动转矩曲线

曲柄销最大主动转矩为 500N·m，已知曲拐半径为59mm，计算得到连杆最大轴向冲击载荷为22.37kN，最大拉伸载荷为8.81kN。将该结果作为曲轴有限元分析力的边界条件，实现每个曲柄销的动态载荷、按做功顺序周期性加载，模拟曲轴真实的受载情况。

1.3 有限元分析

运用 CATIA软件建立曲轴三维实体模型，忽略内部油道，模型另存为STP格式，导入ADINA软件，定义材料为45钢，采用有限元瞬态分析模块模拟曲轴周期受载，将图2各曲柄销主动转矩加载到曲轴的有限元实体模型上，分析曲轴应力变化规律[2]。

网格划分：采用四节点高阶四面体固体单元，网格密度3mm，倒角处采用精细化网格划分，网格密度0.5mm，整体网格为自由网格划分，单元数为424591个单元。

边界条件：在曲轴的安装中心作一个转动中心线和一个固定约束，约束XYZ的平动和YZ的转动。模拟曲轴左右两端的轴承约束情况，实际装配情况和施加约束一致。将连杆轴颈两个受力面与转动轴线做一个Rigid Link刚性连接。

图3 应力最大时刻云图

图4 节点应力周期变化曲线

荷载添加：提取一个周期9.02s每个缸的转矩载荷曲线，加载到对应曲轴连杆轴颈上。发动机按照1-3-4-2做功，将一个周期 9.02s的转矩数据作为发动机的动态载荷加载，动态载荷分别加载至1、2、3、4缸的连杆轴径上。在1、2、3、4缸主轴颈的X方向添加约束，对曲轴飞轮端、曲轴后端添加X方向的约束。

由曲轴的应力变化过程可知，在0.011s时刻，出现应力最大节点，云图如图3所示，节点应力最大值是节点21422，提取该节点应力在整个周期的变化曲线，得到该型曲轴的最大应力为84.7MPa，如图4所示。

1.4 曲轴模态分析

拟定曲轴转速n=3000r/min，着火间隔角180度，激励频率为f=2n/60，频率范围为20～100Hz。计算前6阶自由模态[3]，部分模态振型如图5、图6所示。

图5 Z向一阶弯曲振型

曲轴 Z向一阶弯曲振型，固有频率 234Hz，阻尼比4.786%。Y向一阶弯曲固有频率324Hz，阻尼比6.2%。Z向二阶弯曲固有频率572 Hz，阻尼比6.173%。Z向三阶弯曲固有频率627Hz，阻尼比5.24%。

图6 Z向二阶弯扭振型

曲轴 Z向一阶弯扭振型，固有频率702Hz，阻尼比7.812%。曲轴Z向二阶弯扭振型，固有频率909Hz，阻尼比6.396%。曲轴最低频率为Z向一阶弯曲振型234Hz，随着阶次上升，固有频率逐渐增加，最低固有频率小于激励频率，满足避开共振的设计要求，曲轴结构设计合理[4]。

2 整机台架试验

2.1 发动机耐久试验

图7 冷热冲击界面

曲轴弯曲疲劳失效是非增压、低扭矩发动机最常见的破坏形式[5]。为了真实测试曲轴的动态性能，根据GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》开展了整机耐久试验，装配两台发动机样机。分别完成了1000小时混合负荷试验、300小时冷热冲击试验[6]。冷热冲击试验界面如图7所示。

2.2 结果分析

装备该型曲轴的两台发动机样机经受住 1000小时混合负荷试验，300小时冷热冲击试验。对发动机样机进行拆解，分析曲轴磨损情况，测量区域为轴颈直径、轴颈圆度和圆跳动等。曲轴轴径磨损数据如表2所示。

表2 曲轴轴颈磨损数据

所有轴颈的磨损量都小于1mm，结果良好。轴颈表面实际磨痕分析，曲轴未出现明显形变和局部裂纹，出现的均为周向磨痕，局部点有钩状磨痕，轴颈表面没有胶合、塑性变形等失效模式。

3 结论

基于有限元理论对曲轴三维实体进行了应力应变计算、模态分析和曲轴工程试验验证，结果表明：

（1）应用有限元求解得出，在曲柄销和曲轴轴径处的应力最大，能够快速求解较复杂工程问题，求解应力最大点和危险区域。

（2）计算得到六阶自由模态，Z向一阶弯曲振型，固有频率234Hz，激励频率范围20～100Hz，满足避开共振设计的要求。

（3）按照GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》在台架上完成了1000小时混合负荷试验和300小时冷热冲击试验，轴颈的磨损量都小于1mm，验证了基于有限元法进行曲轴工程设计的正确性。