03_Excite Designer在发动机曲轴系概念分析中的应用_长安汽车李风琴等

SmallEnd4
(a) 曲轴实体模型
3 4 5 12 14 8 10 16 17 18 20
NO D6
NOD6
NOD6
NOD6
Conrod1
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Conrod3 BigEnd3
Conrod4
21
1 2
BigEnd1
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BigEnd2
NOD6
1 2
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BigEnd4
1
2
6 13压力均小于120mpa该油膜压力也是可接受的图11主轴承最大油膜压力33强度计算结果在曲轴的1d计算中强度的评判主要是看危险点的安全系数曲轴在苛刻的工作条件下最容易产生弯曲变形和扭转变形而失效的地方就是轴颈包括主轴颈和曲柄销圆角处主轴颈圆角处b曲柄销圆角处图12安全系数结论本文应用avldesigner软件对某发动机曲轴进行1d的扭振分析轴承分析以及强度分析
2.2 数据输入 在Designer中建立轴系动力学计算模型，需要输入相应数据。 (1)发动机全局数据 包括发动机转速、缸数、缸径、冲程等发动机的结构参数以及活塞连杆的质量属性等。曲轴系 坐标系定义如图 1 所示：第 1 拐竖直向上 Y 向；X 轴为曲轴旋转中心轴；坐标原点在第三主轴颈中 心[2]。 (2)曲轴模型参数的定义 包括各部件模型的几何尺寸、质量、惯量的定义。 在 Shaft Modeler 中建立曲轴（含飞轮、减震器等）模型并对其参数进行赋值，如图 2 所示。软 件中将整体曲轴离散成主轴颈、连杆轴颈、曲柄臂、平衡重等，分别输入轴颈的直径和长度，曲柄 臂和平衡重输入质量和惯量数据。由于内燃机部件形状复 杂，传统上内燃机的惯量、刚度计算均采用经验公式法。本 文借助三维建模软件 Pro/E，方便地计算出该曲轴各部分的 质量和惯量。 (3)载荷数据 包括主要是 1 个工作循环（720deg）的缸压曲线。缸压 曲线如图 3 所示，要求覆盖发动机转速范围的外特性，并包 含额定工况点、最大扭矩点和扭振转速点。 (4)确定机油类型。设置机油的阻尼、刚度等动力特性。
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
1
0.5
bearing 1[micron] bearing 2[micron] bearing 3[micron] bearing 4[micron] bearing 5[micron]
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Abstract: This paper has done crankshaft calculation in concept design stages by AVL_EXCITE Designer soft. In this paper, the 1D crankshaft torsion vibration, Hydrodynamic bearing state and safety factor of the crankshaft’s pin neck was worked out, which can be used as reference for detailed design. Keywords: Crank train, Torsion Vibration, Bearing Analysis, Strength Calculation
[3]
2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文
4
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Minimum Oilfilm Thickness
3
$ MB uppershell PSI1
图5 模态与临界转速
图6 减震器扭振幅值
图6是受迫扭振结果，可以看到，在减震器的作用下，综合扭振振幅小于0.3 deg，第4谐次的扭 振振幅仅0.12deg，其它谐次的扭振振幅均小于0.1deg，表明该减振器的减振效果是较好的 。
[3]
图 7 飞轮转速波动
图 8 减震器耗散功
对于转速波动性，只需检查飞轮转速不均匀性，车用发动机最好小于2%以下，与飞轮惯量和扭 振有关 。本计算中飞轮的转速波动很小(图7)，减震器的耗散功(图8)最大值也不超过160W，表明该 曲轴的扭转振动并不太剧烈，可以接受。 3.2 液力轴承计算结果 本次计算不同转速下主轴承以及连杆大头轴承的负荷、轴心轨迹、最小油膜厚度、最大油膜压 力等 ，并对计算结果作相关的评估，确保轴承设计的可行性、可靠性。 图 9 分别为主轴承上下轴瓦在不同转速下的压力分布所；计算结果显示轴瓦的最大比压均小于 30MPa，表明该轴承可在常规品质的轴瓦下能够保证正常工作 。
TMOT
Piston1
Piston2
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1 2
Jo int1
TMOT
1 2
Jo in t3
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Jo in t5
TMOT
1 2
Joint7
TMOT
P-Pin1
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P-Pin3
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P-Pin4
1 2
SmallEnd2
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SmallEnd1
The Application of AVL_EXCITE Designer in Crank Train Concept Calculation
LI Fengqin, YANG Huaigang
(Automobile Engineering Institute of ChangAn Automobile Co. Ltd，Chongqing, 401120, China)
3 计算结果
3.1 扭振结果 图5的红色直线从左到右分别表示曲轴系的第一、二个共振点；为抑止较强共振的发生，扭振减 振器必须关注对296.2Hz和525.5Hz的综合减振效果。可见转速范围内，第一模态4谐次临界转速在 4450rpm，第一模态6谐次临界转速在2950rpm，第二模态6谐次临界转速在5300rpm。
0 1000
2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 2 图 3 缸压曲线
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(5)扭转刚度 利用有限元分析方法可以得到较为准确的复杂部件的扭转刚度。本文通过有限元模型（图 4） 进行曲拐刚度计算，即通过施加一扭矩 M，来获得曲柄销相对于主轴颈中心的变形角度 ，从而计算 半拐扭转刚度[3]。方法为：(1)固定曲柄销中心截面(6 个自由度)；(2)设定主轴颈中心截面为刚性区域 RBE2(中心点为独立点，用于加载)；(3)在主轴颈中心分别加扭矩 Mx.，则半拐扭转刚度：
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Engine Speed[rpm]
Engine Speed[rpm]
图9 主轴承最大压力分布
图10为主轴承液力轴承在不同转速的最小油膜； 结果表明， 油膜厚度均能达到1.4micron以上 （图 10所示），对本机来说，该油膜厚度是可接受的 。
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Minimum Oilfilm Thickness
$ MB lowershell PSI1
Minimum Oilfilm Thickness[micron]
Minimum Oilfilm Thickness[micron]
2.5
2.5
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bearing 1[micron] bearing 2[micron] bearing 3[micron] bearing 4[micron] bearing 5[micron]
2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文 1
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部件。 (2)连接：将活塞、曲轴等部件连成工作的整体，形成活塞-连杆-曲柄机构的工作关系。 (3)添入各模块特性。
2
2.1
计算模型
模型的建立 轴系系1D计算模型包括曲轴、飞轮、减振器、连杆、活塞、轴承等运动零件的相关数据。将各 部件在AVL Excite Designer中按照实际进行“连接”，建立相应的轴系动力学模型，如图1所示。图 2为曲轴的实际模型与Designer的模块化的1D模型。建模的过程包括： (1)建立部件：包括活塞、活塞销、连杆、曲轴、轴承等各部件，在软件的工作区域适当布置各
Critical Speeds
1 6000 5500 5000 4500 2 3 1 4 5 2 6 7 8 9 10 11 12
Speed[rpm]
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Maximum Unit Load[N/mm^2]
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Maximum Unit Load[N/mm^2]
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bearing 1[N/mm^2] bearing 2[N/mm^2] bearing 3[N/mm^2] bearing 4[N/mm^2] bearing 5[N/mm^2]
Chalf M / [Nm/rad]
单拐刚度：
（1）
C Chalf / 2 [Nm/rad]
（2）
(a)半拐扭转刚度计算原理
(b)有限元模型 图 4 扭转刚度
(c)计算结果
2.3 仿真控制 确定计算任务，选择 Designer Torsion、Bearing、Strength 选项，分析该曲轴系扭振，轴承 工作情况以及强度。
19
7
Crankshaft
TVDamper Flywheel
Ma in Be aring2
1 2 1 2
MainBearing3 MainBearing4
1 2 1 2 1 2
Model Rotation Axis
MainBearing1
MainBearing5
X
Engine
(b) EXCITE Designer 中轴系离散模型 图1 计算模型 图2 曲轴模型
AVL-Excite Designer 在发动机曲轴系概念分析中的应用
李凤琴 杨怀刚
（长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆 401120） 摘 要：本文应用 AVL_EXCITE Designer 软件进行曲轴概念设计阶段的分析计算，分析了
1D 曲轴的扭振、液力主轴承工作状态和轴颈处的安全系数等，为曲轴的详细设计提供参考 依据。 关键词：曲轴系 扭振 轴承分析 强度计算 主要软件：AVL_EXCITE Designer
1 前言
随着发动机技术的不断发展，发动机的设计向着高效率，高可靠性，轻质量，低燃油消耗率以 及低排放等方向发展，其强化指标不断提高，机械负荷不断增加。作为发动机中最重要、载荷最大、 价格较贵的零件之一的曲轴在周期性变化的气体力、 往复和旋转运动引起的惯性力以及他们的扭矩、 弯矩的共同作用下，产生弯曲和扭转变形[1]，工作条件愈加苛刻。因此，对曲轴的刚度和强度提出 了很高的要求，也是发动机设计的重点和难点之一。 概念设计在内燃机的初期设计中，起着指导性作用，决定着整体方案的布置，以及后续设计的 方向。概念设计多以1D分析为主，以基本结构和参数为输入，通过CAE方法确定内燃机的基本性能、 曲轴系的布置等。 本文运用AVL_EXCITE Designer软件对某发动机的轴系进行扭振分析、轴承负荷分析和强度计 算，从而为曲轴下一阶段的详细设计提供重要的参考依据。
Maximum Unit Load
$ MB uppershell
50
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Maximum Unit Load
50
$ MB lowershell
bearing 1[N/mm^2] bearing 2[N/mm^2] bearing 3[N/mm^2] bearing 4[N/mm^2] bearing 5[N/mm^2]
mode [-]
frequency [Hz] 296.2 525.5
1 2
Frequency[Hz]
2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文
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