柴油机曲柄连杆机构模态及活塞特性分析

高广强，蔡卫国，尚振国，武立波

（大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023）

柴油机曲柄连杆机构模态及活塞特性分析

高广强，蔡卫国，尚振国，武立波

（大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023）

以S195型柴油机为例，应用Inventor软件对曲柄、连杆及活塞进行实体建模。利用Autodesk Algor软件对曲柄、连杆进行自由模态分析，对活塞温度场、应力场进行有限元仿真分析。模态分析及活塞特性结果为柴油机性能优化提供了可靠依据。

曲柄连杆；模态分析；活塞特性；性能优化

曲柄连杆机构是柴油机的重要组成部分，它将活塞的往复运动通过连杆转变为曲柄的旋转运动。曲柄、连杆和活塞系统是柴油机中结构最为复杂、承受载荷最大的部件，它的性能直接影响着柴油机的可靠性和寿命[1～2]。对曲柄、连杆和活塞系统进行建模仿真，可以更好地进行零部件结构优化设计和性能分析，为柴油机整体结构减振、降噪打下基础[3]。

本文以S195型柴油机为例，首先利用Inventor软件对曲柄、连杆及活塞进行实体建模，然后，应用Autodesk Algor软件对曲柄、连杆进行模态分析，并对活塞温度场、应力场进行了仿真计算分析，为柴油机性能优化提供了可靠的理论依据。

1 实体模型建立

S195柴油机是小型卧式、单缸、四冲程、蒸发水冷式冷凝水冷发动机，具有结构轻巧、移动方便、安装简单、运转平稳操作简易和工作可靠等特点，其主要技术参数如表1所示。

表1 S195型柴油机主要技术参数

S195柴油机曲柄连杆系统由曲柄、连杆、活塞等主要零部件组成，根据Cad图纸进行1:1比例建模，利用Autodesk Inventor软件建立的三维实体模型如图1所示。

图1 实体模型

2 曲柄、连杆模态分析

模态分析用于确定机构或部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，同时也是其他动力学分析问题的起点[4]。

2.1 曲柄模态分析

将曲柄实体模型导入Autodesk Algor有限元分析软件中，单元类型设置为四面体，采用自动网格划分，材料设置为AISI1005 steel，对应的基本特性是：质量密度为 7.872E+03kg/m3，弹性模量为 2.0E+11N/m2，泊松比为0.29。由于较低阶的固有频率对系统的动态响应影响最大，因此观察曲柄第7到第10阶振型，如图2所示。

第7阶振型固有频率为1 142 Hz，振型如图2（a）所示：曲轴以主轴颈为中点，曲轴两端作对称的左右摆动；第8阶振型固有频率为1 272 Hz，振型如图2（b）所示，曲轴的左端伴有逆时针的小幅扭转；第9阶振型固有频率为1 653 Hz，振型如图2（c）所示，曲轴左端逆时针扭转，曲轴右端作反向的小幅转动；第10阶振型固有频率为2 165Hz，振型如图2（d）所示：曲轴右端作大幅度的扭转。通过观察曲柄的振型图，得到曲柄的低阶模态基本是以扭转振动为主要变形形式，利用分析结果，在设计中根据曲柄的固有频率，避开曲柄危险的频率段，既可以保证曲柄的安全运行又可以延长曲柄的使用寿命。

图2 曲柄振型

2.2 连杆模态分析

连杆有限元网格划分采用四面体单元，自动划分网格，材料选用合金钢，选用20节点Solid92单元，连杆划分共产生节点总数为15 081个，单元总数为9 862个。连杆材料特性为弹性模量2.0E+11N/m2，泊松比0.3，质量密度为7.8E+3 kg/m3。连杆第7到第10阶振型如图3所示。

图3 连杆振型

由上述振型图可以得出连杆的振动形式集中表现为弯曲振动。其中，第7阶振型为绕y轴的略微扭转振动，应力集中在连杆小头部分；第8阶振型为绕z轴的弯曲振动，应力集中在杆身，节点位置在杆身的中部；第9阶、第10阶振型为绕x轴的弯曲振动，连杆大头与杆身结合处应力较为集中，变形明显，节点位置在连杆的头部。由此可见，连杆应力主要集中在杆身与大、小头的连接部位，但杆身的中间部位应力也应该在设计中充分考虑。

3 活塞特性分析

3.1 温度场分析

建立活塞实体模型后，应用Autodesk alogr软件对活塞进行稳态热分析。活塞顶部温度场分布如图4所示，等温面分布如图5所示。从图中可知，稳态下活塞外侧面沿轴由上到下温度递减，活塞顶部稳态条件下表面温度最高，燃烧室的上部温度可达364.65℃，第一环槽处温度约为320℃，活塞销处最高温度大约为260℃。分析结果表明环槽因为存在冷却油道从而使温度明显降低，环区温度过高，会导致润滑油失效，从而造成活塞环产生粘结，造成环槽磨损、变形，甚至报废[5～6]。

图4 活塞顶部温度场分布图

图5 活塞温度场等温面分布图

3.2 应力场分析

对活塞销孔上表面进行固定约束，活塞顶部的燃气爆发压力按均布载荷处理。活塞应力分布如图6所示，矢量位移如图7所示。从图中可知，活塞销孔的上表面承受最大压力为218MPa，应采用耐压材质材料，另外，活塞销孔的最大变形也在此处，对于活塞销孔以及活塞销的设计提出了更高的要求。

图6 应力分布图

图7 矢量位移图

4 结束语

通过对曲柄、连杆的模态分析，得到了曲柄、连杆的振型和固有频率。通过对活塞的特性分析，得到了活塞的温度场和应力场分布图。得出以下结论：

（1）曲柄的低阶模态以扭转振动为主要变形形式，在设计中应避开曲轴危险的固有频率段；连杆的应力一般集中在大、小头连接部位,但杆身的中部应力集中现象也较明显,因此在设计时应充分考虑，避免连杆的中部产生过多的弯曲振动；

（2）活塞的最高温度位于活塞顶面燃烧室的边缘附近，这就要求活塞燃烧室边缘必须有合适的倒圆角，否则将引起热应力集中和烧蚀现象。

[1]戴全春，赵建平.柴油机活塞温度场和耦合应力计算[J].柴油机，2012，34（4）:39-43.

[2]代伟峰，樊文欣，程志军.基于ANSYS的连杆模态特性分析[J].机械工程与自动化，2007（4）:39-41.

[3]李 鹏，张宝成，赵开敏.发动机曲柄连杆机构运动及动力特性分析与仿真[J].机电技术，2011（6）:103-105.

[4]李文军.基于有限元传动轴振动仿真与试验的研究[J].机电产品开发与创新，2013，26（4）:96-97.

[5]王 凯，周 娜，苏轶熊.4L132柴油机活塞设计及强度分析[J].柴油机设计与制造，2012，18（4）:15-21.

[6]成中清，蔡敢为，周晓蓉.6108柴油机曲轴有限元分析[J].装备制造技术，2010（1）:27-29.

The Analysis of Crank Connecting Rod Modaland Piston Characteristic for DieselEngine

GAOGuang-qiang，CAIWei-guo，SHANG Zhen-guo，WU Li-bo
（SchoolofMechanicaland Power Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China）

As an example of S195 diesel engine,the 3D solid modeling of crank rod system has been established by using Autodesk inventor.Freemode of crank and connecting rod has been discussed using Autodesk algor simulation,besides the temperature field and stress field of the piston have been simulated.The results of three-dimensional finite elementanalysisprovide reliable basis for dieselengine performance optimization.

crank connecting rod；modeanalysis；piston characteristic；performance optimization

TK422

B

1672-545X（2014）04-0047-02

2014-01-04

高广强（1990—），男，河南永城人，硕士研究生，研究方向：机械系统优化设计、虚拟仿真技术；通讯作者：蔡卫国（1970—），男，内蒙赤峰人，副教授，硕士生导师，研究方向：机械系统优化设计、机械振动监测与智能诊断。