10.16638/jki.1671-7988.2021.01.027
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）
摘要：为提高曲轴样机的工程设计能力，利用AMESim软件搭建发动机性能测试模型，得到发动机主动转矩周期变化曲线，在ADINA有限元软件中将周期性主动转矩动态加载到各个曲柄销，得到曲轴的应力云图和最大应力，计算六阶自由模态，最低固有频率在激励频率之外，满足避开共振设计要求。在发动机台架上完成整机1000小时混合负荷试验和300小时冷热冲击试验。结果表明，各轴颈的磨损量均小于1mm，未出现明显形变和裂纹、轴颈表面无胶合和塑性变形等失效形式。
关键词：曲轴；有限元分析；模态分析；台架试验
汽车发动机中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)01-86-03
Simulation Design and Test Research of Crankshaft for a Certain Engine*
Wang Xiaolong, Tang Ziqi
( School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Sichuan Chengdu 610106 )
Abstract: In order to improve the engineering design ability of crankshaft prototype, the curve of engine active torque cycle is obtained by build a test model of engine crankshaft performance using AMESim software. The periodic active torque is dynamically loaded into each crank pin in the finite element software ADINA, the stress cloud diagram and maximum stress of crankshaft are obtained. The six free modes are calculated, and the lowest natural frequency is beyond the excitation frequency, which meets the design requirements of avoiding resonance. The 1000-hour mixed load test and 300-hour cold and thermal shock test are completed on the engine platform. The results show that the wear amount of each journal is less than 1mm, and there is no obvious deformation or crack, no gluing or plastic deformation on the surface of the journal. Keywords: Crankshaft; Finite element analysis; Mode analysis; Bench test
CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)01-86-03
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
作者简介：王小龙（1985-），男，实验师，硕士，就职于成都大学机械工程学院，研究方向为汽车测试与仿真。*基金项目：四川省科技厅科技计划（2017KZ0075）资助项目，四川省科技厅软科学项目（校地共建新型产业技术研究院模式研究）。
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王小龙 等：某型发动机曲轴仿真设计与测试研究
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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。
汽车实用技术
88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。
参考文献
[1] 王小龙.某型汽车发动机曲轴的加工工艺及测试研究[D].西华大
学,2017.
[2] 岳弋，陈权，等.ADINA应用基础与实例详解[M].北京：人民交通出
版社,2008.
[3] 吕端，曾东建，于晓洋，张龙平.基于ANSYS Workbench的V8发动
机曲轴有限元模态分析[J].机械设计与制造,2012,(8):11-13. [4] 周海超，左言言，鲍林晓.四缸柴油机曲轴的自由模态分析[J].噪声
与振动控制,2010,30(6):63-66.
[5] 段春霞，张果，张怡军，王海林，李德华.4RC曲轴弯曲疲劳试验简介
及其数据分析[J].拖拉机与农用运输车,2015,(3):36-38.
[6] 国家汽车标准化技术委员会.GB/T 19055-2003汽车发动机可靠
性试验方法[S].中国标准出版社,2003.