内燃机曲轴分析案例

运通内燃机曲轴结构可靠性分析案例

北京运通恒达科技有限公司

2006年7月

1.背景描述

车用内燃机的曲轴断裂故障发生的几率并不是很高。但当柴油机的内燃机曲轴，在车辆行驶了比较长的里程（约4～5万km左右）以后常常出现断裂。

而曲轴断裂故障多属疲劳破坏。因为曲轴是一个弹性轴，在回转中受到各缸交变的气体压力、往复惯性力和离心力，以及由此引起的弯矩、扭矩的作用，发生强迫扭转振动，形成复杂的交变应力和扭转或弯曲振动附加应力，加之曲轴形状复杂，刚性差，应力集中严重，一旦所承受的应力超过曲轴的疲劳强度（过载）就容易发生疲劳破坏。疲劳破坏一般可分为三种类型：扭转疲劳破坏、弯曲疲劳破坏和弯曲－扭转疲劳破坏。如图1所示；因此本文提出了对内燃机曲轴的疲劳可靠性分析。

图1 疲劳破坏实物图1

2.疲劳分析

⏹疲劳应力分析

将疲劳设计和有限元法相结合，通过有限元求解出最危险点的最大应力和最小应力，从而获得疲劳计算需要的名义平均应力及幅值。

⏹疲劳强度分析

因为内燃机内的零件一般都是无限寿命设计，即失效循环数在107以上，本问通过参数修正来将材料疲劳极限转化为零部件的疲劳极限。材料的疲劳极限，只能代表标准光滑试样的疲劳性能，而实际零件的尺寸、形状和表面情况是各式

各样的，与标准试样有很大的差别。影响机械零件疲劳强度的影响因素很多，其中主要的有：尺寸、形状、表面情况、平均应力、复合应力、腐蚀介质、温度等。因此通过引入应力集中系数、尺寸系数和表面加工系数等，对试样的疲劳强度进行修正，来确定零件的疲劳强度。其中修正系数的均值合标准差由试验或经验得到。

疲劳寿命分析

疲劳安全寿命分析可以根据S-N曲线来进行。为减少试验通常利用材料S-N 曲线，进行一定的修正得出零件S-N曲线，零件的S-N曲线是名义应力有限寿命设计法的基础。常规的S-N曲线一般是对称循环应力条件下（即r=-1）做试验的方法采集到的。而大多数现场条件都包含非零的平均应力即非对称循环应力工作。而循环的平均应力水平对材料的疲劳行为由很大的影响，平均应力值增大时，疲劳寿命降低。在进行非对称循环的疲劳寿命时，需要用表示交变应力幅合平均应力之间的关系的经验公式，本分析采用Goodman曲线来分析。

3.受力分析

本文所分析的内燃机是并列连杆式曲柄连杆机构，在发动机实际运行过程中曲轴主要受连杆及轴承作用力产生的弯曲应力，由于扭转应力相对较小，不予以考虑。活塞直径150mm，面积17671.46mm2。气体爆发力为16MPa，作用于活塞顶面的燃气载荷为280000N。利用ADAMS计算出的各缸运动规律及曲轴受力情况，推导出缸内气体通过连杆作用于曲拐上的力、活塞和连杆的惯性力在曲拐上产生的力。连杆在处于爆发状态时，作用在曲柄销上的总载荷为210000N。不考虑由于机构的摩擦力。考虑作用在曲轴上的缸内气体压力和机构运动质量的惯性力。

4.建立有限元模型

由于曲轴外表面形状复杂，为了控制有限元网格的疏密程度合整个有限元模型规模，对实体各部分进行分区，对不同区域设定不同的单元密度，并采用半自动方法进行网格剖分。单元类型是四面体单元，对实际使用中易发生断裂、应力集中严重的曲柄销与曲柄臂过渡圆角处进行细化，以提高计算精度。如图2所示；

图2 有限元模型

5.确定性分析

确定性分析使可靠性分析的前提，只有理论上不发生失效的零部件才可以进行可靠性分析。通过有限元的确定性分析可知，最大应力出现在曲柄销的过渡圆角处，主轴径的过渡圆角的应力也比较大。如图3所示；

图3 应力集中点位置

通常只对危险因素进行可靠性分析，因此同时选择主应力较大的几个节点进行可靠度的求解计算，其结果如表1所示；

位置最大主应力（MPa）

曲柄销圆角1点125.985 2点92.2625

主轴径圆角3点99.2702 4点32.7185

其中非爆发连杆一方的主轴径圆角应力集中点（关键点4）的主应力较小，在后续计算中将不作为研究对象。最大应力出现在爆发压力作用下的曲柄销圆角的关键点1处，max σ＝125.985MPa 。根据机械工程材料手册提供的材料40Cr 经调质处理的强度结果计算得到抗拉极限S b 为827.64MPa ，屈服极限S σ为649.93MPa 。由于max σ

6. 可靠性分析

⏹ 静强度可靠性分析 ➢ 随机变量的选择

在工况稳定时，发动机转速变化不大，在确定性分析中假设拉应力也变化不大，即忽略因转速变化所引起合成应力变化。曲轴销半径R 1，圆角半径R 2，燃气压力载荷P 0，连杆1的惯性力P 1，连杆2的惯性力P 2，材料属性－弹性模量E 等参数设定为随机变量，考虑这些参数的不确定性对曲轴可靠性的影响。各随机变量的分布情况如表2所示；

R 1（mm ） R 2（mm ） P 0（N ） P 1（N ） P 2（N ） E （GPa ） 分布 均匀

均匀

正态 正态 正态 正态 均值

005

.0004

.07

+-

002.0002

.03

+-

2.8*105

7.0*104

4.4*104

193.75

标准差 0.0015 0.0007 2.5*104

8.0*103

4.4*103

16.52

➢

建立状态方程

根据应力强度干涉模型，设定极限状态方程，如下式所示：

g=s-stress

stress=f(R1, R2, P0, P1, P2,E)

其中s=

S σ，stress 为调用有限元模型求解得到。