某汽油机曲轴FEA分析

冯玮玮，许涛

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)

某汽油机曲轴FEA分析

冯玮玮，许涛

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)

对某汽油机的曲轴进行仿真分析，主要包括飞轮转速不均匀性、主轴承弹性液动力分析以及曲轴强度的计算等。计算结果显示：以上指标均在可接受范围内，满足使用要求。

曲轴；FEA分析；转速波动；应力

0 引言

曲轴是发动机的关键零部件，其作用是把活塞、连杆传来的气体力转化成力矩，用来驱动汽车的传动系统、发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴的工作环境较为恶劣，受到周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用，同时承受着弯曲和扭转交变载荷，因此，曲轴必须具有足够的抗弯曲、抗扭转的强度和刚度。

文中将对某汽油机的曲轴的基本强度进行分析，首先进行一维性能分析，计算飞轮的转速波动量以及主轴承的工作状态，然后利用三维有限元软件ABAQUS对曲轴的强度进行仿真分析，并对曲轴的强度和安全性进行评价，为详细设计提供参考。

1 分析过程

对曲轴进行有限元分析，一般有两种方法：一种是整体分析法，即对曲轴进行整体分析，但是这种方法对计算资源需求较高；另一种方法是单独对曲轴的每一个曲拐进行分析，这种方法计算量较小，对计算机的要求也较低。因此文中将采用第2种方法进行分析。

1.1 划分网格

为了让计算更加贴近实际情况，此次计算中没有对曲轴三维模型进行简化，以免改变应力分布，与实际不符。由于要进行大量工况的计算，为了既能保证计算的精度，同时又要尽可能地减少计算消耗的时间，因此，需要对曲轴的不同部位划分不同数目的网格。对于一些关键区域进行密化处理，而其他非关键区域，可以适当减少网格的数量，以提高计算的速度。图1为划分好的曲轴网格模型。

1.2 施加载荷

曲轴分析中，力的边界一般处理为：轴向受到180°分布的余弦力，轴向受均布载荷，积分后得到曲柄销受力。部分转速下曲轴曲柄销的受力如表1所示。

表1 曲柄销受力情况

根据曲柄销的受力，求出应加载的幅值，然后施加到各个对应的曲柄销上进行分析。在这里需要特别注意约束的处理，通常的做法是直接约束主轴承3个方向自由度，但是这样算出来的结果往往与实际结果偏差较大。合理的做法是通过在轴承处加支反力来进行约束。

1.3 材料属性

表2是计算过程中需要用到的曲轴材料属性。

表2 曲轴材料属性

2 结果分析

2.1 飞轮转速波动

转速波动是反映曲轴系工作过程中，由于缸内压力的变化，导致曲轴转速的变化率。它是由发动机持续点火的运行机制导致的转速不稳定，反映了运转的平顺性，转速波动过大则会导致发动机传输扭矩波动大，从而引起整机较大的振动。其评价指标为1 500 r/min工况下，转速波动小于0.25。

图2所示的是曲轴转速波动的计算结果。可以看到：转速波动明显小于0.25的评价标准，因此满足要求。

2.2 EHD(Elastohydrodynamic，弹性液动力)计算结果

进行EHD需更改主轴承的计算建模类型，一般使用EHD2模型。EHD计算结果主要是2个指标：最大单位载荷与最小油膜厚度。一般来说，双金属轴瓦能承受的最大轴瓦载荷为50 N/mm2；而最小油膜厚度的评价标准为大于1 μm。

图3、4所示的分别是主轴承最大单位载荷以及最小油膜厚度。

可以看到：主轴承的上瓦和下瓦的最大单位载荷均小于20 N/mm2，而最小油膜厚度均大于2.5 μm，均满足评价标准，说明轴承润滑状态良好，工作正常。

2.3 最大应力计算结果

此次计算是从最大爆发压力工况点(4 000 r/min)开始，到额定工况点(5 500 r/min)。在结果分析中，包含了4个缸分别出现最大爆发压力时，曲轴的应力分布情况。

图5是不同转速条件下，曲轴受到的最大应力随转速的变化曲线。可以看到：曲轴在4 000 r/min时，即最大爆发压力工况下，最大应力值高于其他转速下，达到293.6 MPa。

图6是4 000 r/min时，曲轴的应力分布情况。可以看到：最大应力出现在第四缸连杆轴颈圆角位置附近。由于曲轴材料为49 MnVs3，其屈服应力为600 MPa，因此其安全系数高达2，所以符合强度要求，该曲轴结构比较安全。

3 结论

对某汽油机的曲轴进行了仿真分析，计算主要包括飞轮转速不均匀性、主轴承EHD(弹性液动力)分析以及曲轴强度计算等。具体计算结果如下：

(1)飞轮转速波动明显小于0.25的评价标准，满足要求。

(2)主轴承的上瓦和下瓦的最大单位载荷均小于20 N/mm2，而最小油膜厚度均大于2.5 μm，均满足评价标准，说明轴承润滑状态良好，工作正常。

(3)曲轴在4 000 r/min时，其应力值最大，最大应力出现在第四缸连杆轴颈圆角位置附近。由于曲轴材料为49MnVs3，其屈服应力为600 MPa，因此其安全系数高达2，所以符合强度要求，该曲轴结构比较安全。

【1】周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社,1998.

【2】马瑞恒,李诗新，丁香乾,等.6160A-17柴油机曲轴强度计算[J].内燃机与动力装置，1998(3):21-23.

【3】韦莹.9L210柴油机曲轴强度计算及疲劳分析[J].内燃机与配件，2015(5):33-34.

FEA Analysis on Crankshaft of a Certain Gasoline Engine

FENG Weiwei, XU Tao
(Research & Development Center,Anhui Jianghuai Automobile Co,.Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

A FEA analysis on crankshaft of a certain gasoline engine was made.Speed irregularity of the flywheel, elastohydrodynamic analysis on main bearing and strength of the crankshaft were calculated. The results indicate that those values are acceptable and the crankshaft meets use requirement.

Crankshaft; FEA analysis;Speed irregularity; Stress

2016-03-17

冯玮玮(1985—),女，本科，助理工程师，研究方向为发动机设计。E-mail:weiwei_feng2007@163.com。

U464.171

A

1674-1986(2016)06-039-03