4D20轿车柴油机曲轴系统动力学分析

2 发动机参数及软件工具
某公司研发的 2.0L 高速柴油机采用 了 高 压 共
轨、涡轮增压、增压中冷等先进技术，排放满足欧Ⅴ
排放标准要求。 柴油机具体参数见表 1 所列， 主要 部件材料见表 2 所列。
表 1 4D20 发动机主要结构参数
Байду номын сангаас缸 径 /mm
85.0
行 程 /mm
88.1
缸数
4
排列方式
直列
主题词：柴油机 曲轴 动力学分析 中图分类号：U464.172 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2010）12－0021－05
Dynamic Analysis of 4D20 Passenger Car Diesel Engine Crankshaft System
Li Xiaofeng1, Yuan Zhaocheng1, Zhao Fuquan2, Wu Chengming2 （1. State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation, Jilin University;
循 环 与 EUDC 城 郊 行 驶 循 环 的 NOx 排 放 量 分 别 占 NEDC 循 环 NOx 总 排 放 量 的 12.9% 、11% 、11.6% 、 12.5%和 52%。
c ECE 各城区行驶循环与 EUDC 城郊行驶循 环 的 CO2 排 放 量 分 别 占 NEDC 循 环 CO2 总 排 放 质 量的 14.4%、13.2%、12.5%、12.2%和 47.7%。
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当地应力)作用下，同时存在全局旋转运动和振动。 该两类运动形式的相互作用导致非线性惯性力。 因 此，AVL 公司开发了用于发动机初期设计中确定轴 系布置、驱动系扭振分析的 EXCITE 软件，它结合有 限元法进行发动机动力学仿真， 其中各零部件间由 非线性连接体连接，可求得各零部件的动力学响应， 即各部件的位移、速度、加速度以及部件间的相互作 用力。 该软件与 ADAMS 等动力学仿真软件相比更 具专业性。 EXCITE 进行动力学分析时结合了 3 个 方法：有限元法、多体动力学、弹性体间通过非线性 接触单元相互作用，其应用对象如下：
换气方式
涡轮增压
燃料喷射系统
高压共轨
额 定 功 率 /kW
100
额 定 转 速 /r·min-1
4 000
平 均 有 效 压 力 /MPa
1.501
升 功 率 /kW·L-1
50.02
最 大 扭 矩 （ 转 速 ）/N·m(r/min)
286(1 800)
零件名称 曲轴 飞轮 连杆
主轴瓦 机体 缸盖
25
28
为了分析曲轴的扭振， 计算了曲轴前端扭 转角度， 并且按照阶次分解得到发动机在工作 转速和超速范围内各阶的扭转角度、 阶次合成 的最大扭转角度等。 经过计算，各阶次扭转角和 阶 次 合 成 扭 转 角 都 是 在 转 速 1000 r/min 附 近 时 最大，具体数值为：前端 2 阶扭转角最大为 0.0341°， 合成扭转角为 0.04°; 后端 2 阶扭转角和合成扭转角 分别为 0.0349°、0.04°。 上述角度均 小 于 0 .2 ° ， 在 工 程 允 许 范 围 之 内[2]。
表 2 零件材料
材料 42CrMo4 灰铁 250
钢 钢 灰铁 250 球铁 400
采用 EXCITE 软件对该柴油机的曲轴轴系进行 一 维 扭 转 振 动 分 析 、曲 轴 动 力 学 分 析 ； 采 用 ABAQUS 软件对该曲轴轴系进行高频疲劳强度分析。 对于先 进的发动机和车辆动力学仿真分析， 需考虑全局运 动和局部变形的相互影响。 缝隙和间隙的物理效应 需采用适当的模型来模拟， 而无须调整参数。 特别 是在发动机轴系模拟中，在燃气压力和质量力(引起
4 曲轴轴系扭转振动模拟分析
4.1 扭转振动分析 对于扭转振动分析，三维模型需通过 ShaftMod-
eler 模块转换成一维等效模型， 其集中质量位于包 括阻尼环的曲轴前端、 包括飞轮的曲轴后端和每个
曲拐中心处。 曲轴前端的转动惯量包括皮带轮系、
齿轮系及橡胶减振器的转动惯量； 曲轴曲拐处的转
动惯量包含了曲柄销、邻近的曲柄臂、平衡重和主轴
参考文献 1 许建民. 车用汽油机瞬态排放特性的试验研究. 北京汽车,
2009（2）:17~21. 2 李峥. 利用稀释后废气连续取样分析解决十五工况排放
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2010 年 第 12 期
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a. 曲轴轴系和发动机部件的动力学计算 动态负荷和变形的设计分析（曲轴、连杆、 主轴承壁等）；时域中曲轴和飞轮的三维动态计 算 ； 发 动 机 整 个 工 作 循 环 中 ， 基 于 EXCITE 的 结 果进行有限元应力分析； 轴系扭振及扭振减振 器参数优化。 b. 弹性液体动力轴承的计算 对最小油膜厚度、 压力分布等提供更加逼真的 计算结果；用于分析轴承的偏磨、烧瓦等问题。
·设计·计算·研究·
4D20轿车柴油机曲轴系统动力学分析
李晓峰 1 袁兆成 1 赵福全 2 吴成明 2 （1.吉林大学 汽车动态模拟国家重点实验室；2.吉利汽车研究院）
【摘要】建立了某 2.0L 高速直喷轿车柴油机曲轴系统动力学 模 型 ，并 利 用 该 模 型 进 行 了 曲 轴 系 统 扭 转 振 动 分 析、弯曲振动分析和疲劳强度分析。 结果表明，该曲轴轴系的扭转振动、弯曲振动都达到了设计要求并且无扭转共振 发生，其额定转速下前端单一阶次的最大扭转振动角小于 0.2°，最小高频疲劳安全系数为 1.324，柴油机动力学性能 良好，满足工作要求。
3 基础模型建立
发动机曲轴轴系动态响应分析的多体系统动力 学模型主要包括曲轴轴系模型、活塞和连杆模型、各 构件间的连接副以及作用于系统上的外力。 因为随 曲轴一起转动的活塞、 连杆等零部件的主要作 用是产生惯性激振力，并传递燃气压力，因此可 以不考虑它们的变形而将其作为刚体。 但曲轴 的动力学模型建立过程没有将其导入有限元模 型 进 行 柔 性 转 换 ， 而 是 先 将 曲 轴 的 三 维 CAD 文 件 导 入 EXCITE 中 ， 利 用 AutoSHAFT 模 块 对 其 进 行 网 格 划 分 、 质 量 分 割 和 刚 度 验 算 等 ， 生 成 CFF 文 件 ， 如 图 1 所 示 。 利 用 ShaftModeler 模 块 将 结 果用阻尼模型和双质量飞轮模型重新装配获得 发动机曲轴轴系的动力学模型。
Key words：Diesel Engine, Crankshaft, Dynamic analysis
1 前言
曲轴是柴油机的主要部件之一， 研究曲轴的动
态性能， 掌握曲轴在工作过程中的振动规律以及载 荷的变化规律， 对提高曲轴的可靠性和寿命具有十 分重要的意义。 目前在柴油机设计领域， 对曲轴的
2. GEELY Automobile Research Institute） 【Abstract】A crankshaft system dynamic model for a 2.0L high speed direct injection car diesel engine was established, which was used for crankshaft torsional vibration analysis, bending vibration analysis and fatigue strength analysis. The results indicated that torsional vibration and bending vibration of this crankshaft assembly complied with design requirement and no torsional resonance occurred, the maximum torsional vibration angle is lower than 0.2°, and the minimum high-frequency fatigue safety coefficient is 1.324 at the front-end single order at rated speed, this diesel engine has good dynamic property and complied with operating requirement.
发动机运转不均匀系数是评价发动机运转稳定
2010 年 第 12 期
性的指标之一，发火间隔较长，转速越低，发动机运
转不均匀系数就越大，稳定性越差。 计算公式为：运
转不均匀系数=
最大角速度－最小角速度 平均角速度
。
通常
，对于
轿车柴油机，当转速为 1 500 r/min 以上时运转不均
（责任编辑 学 林） 修改稿收到日期为 2010 年 7 月 20 日。
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·设计·计算·研究· 静态、 动态有限元分析国内外都已取得了一定 的成果， 用试验模态分析结果修正曲轴有限元 模型的方法在曲轴有限元分析中已得到实际应 用。 对柴油机曲轴的动力分析近年来主要集中 在曲轴模型的精确化和曲轴激励的精确确定 上 ，以 期 改 善 曲 轴 动 力 分 析的精度[1]。 本 文 详 细 介 绍 了 某 公 司 自 主 开 发 的 2.0L 轿 车 柴 油 机 曲 轴 系统动力学仿真分析过程及结果。
CFF 文 件 导 出
模型导入
质量分割和刚度验算
划分网格
单元分割
图 1 AutoSHAFT 模块处理流程 汽车技术
·设计·计算·研究· 在 AVL -EXCITE 中 定 义 了 5 种 体 单 元 类 型
ANCH、SMOT、CON6、TMOT、NOD6。 考 虑 到 重 点 研 究对象是曲轴轴系的多体动力学， 所以将曲轴的体 单元定义为 CON6（弹性 体 ），采 用 缩 减 的 有 限 元 模 型，每个主自由度节点保留个 6 个主自由度；主轴承 座定义为 SMOT（弹性体），进行缩减 得 到 有 限 元 模 型，每个主自由度节点保留 3 个主自由度；连杆定义 为 NOD6（弹性体），考虑到本文不进行 连 杆 的 动 力 学分析， 所以连杆的模型为简化的两端有集中质量 的梁模型；对于虚拟缸体和基座，由于不考虑其局部 变形，采用 ANCH 类型，直接在 AVL-EXCITE 中建 立缸体模型。 另外， 在轴系全局参数中需要输入柴 油机转速、缸数、缸径、冲程、发火顺序、轴系几何参 数、部件质量、气体压力等。
颈的转动惯量， 同时还包含了活塞和连杆的等效转
动惯量；曲轴后端包括了飞轮、起动齿圈和部分离合
器的转动惯量。 对于橡胶减振器， 取阻尼系数 ψ=
1.3。 本次设计了两种扭振减振器与曲轴相适应，参
数见表 3 所列。
表 3 2 种扭振减振器参数
参数
TVD1
TVD2
固 有 频 率 /Hz
340
360
扭转刚度/kN·m·rad-1