高强度曲轴静态特性仿真与试验研究

李晓晓1，王忠1，殷文元2

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013；2.江苏万力机械股份有限公司，江苏南通226600）

来稿日期：2018-07-05

基金项目：2011年江苏高校优势学科建设工程（PAPD ）作者简介：李晓晓，（1991-），女，江苏盐城人，硕士研究生，主要研究方向：内燃机零部件设计与优化；

王忠，（1961-），男，江苏镇江人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：内燃机代用燃料研究

1引言

曲轴作为柴油机的主要零部件之一，它在柴油机工作过程中受到了周期性的气体压力、扭转惯性力、往复惯性力而引起的扭转和弯曲作用。随着柴油机性能的不断提升，对曲轴的强度和可靠性要求逐渐提高。

国内外学者针对曲轴强度、变形等仿真开展了大量的研究工作。文献[1]根据各向异性硬化规则建立了曲轴二维平面的有限元模型，计算出应力分布和弯曲变形情况，为分析残余应力对曲轴弯曲疲劳强度的影响提供了参考。文献[2]对曲轴单拐模型进行了应力和位移静力分析。结果表明，连杆轴颈、主轴颈和曲柄臂过渡圆角处均出现应力集中现象，拉、压两种工况的最高应力均在主轴颈与曲柄臂过渡圆角处。文献[3]通过建立整体曲轴有限元模型，分析了曲轴主轴颈、连杆轴颈等节点的受力与速度、加速度变

化情况。文献[4]利用ANSYS 建立了某V8发动机曲轴的整体模型，对第一缸和第三缸发火时的应力和变形进行了分析，得出应力集中的危险区域在轴颈与曲柄臂的过渡圆角处。一般来说，单拐曲轴模型，通常选择曲轴的易于发生弯曲疲劳、断裂的连杆轴颈建立模型，不考虑其他相邻轴颈受力对其影响，边界条件简化较多，计算工作量较少。整体曲轴模型，考虑了相邻的曲轴主轴颈、连杆轴颈的整体受力情况。边界条件确定时，考虑了同一时刻，连杆轴颈、主轴颈承受不同受力情况，模型约束与边界条件与整体受力情况较为吻合，能真实的反映曲轴整体受力与变形。

以480柴油机曲轴为研究对象，分析了发动机运动过程中，曲轴整体与单拐模型的特点。应用ANSYS 软件，建立了曲轴单拐和整体有限元模型，并对模型进行了网格划分。通过曲轴单拐和整体模型，计算了曲轴受力及变形情况，探讨了采用不同模型的

摘要：采用ANSYS 有限元软件，建立了480柴油机整体和单拐曲轴的静态特性分析模型，针对不同的约束条件，对两

种模型的弯曲疲劳强度进行计算，指出了两种模型下的应力集中区域以及应力分布和变形情况；两种模型应力值均未超出曲轴的许用应力。通过曲轴弯曲疲劳强度试验，对480柴油机单拐曲轴进行了弯曲疲劳试验，测量了弯矩随循环基数的变化情况。结果表明，采用整体和单拐曲轴的静态特性分析模型，应力集中比较危险的区域出现在主轴颈、连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角区域；整体较于单拐模型可以更全面、真实反映曲轴各拐的静态特性。关键词：曲轴；有限元模型；应力；疲劳试验中图分类号：TH16；TK438.9

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2019）01-0029-04

Static Characteristic Simulation and Experimental Study

on High Strength Engine Crankshaft

LI Xiao-xiao 1，WANG Zhong 1，YIN Wen-yuan 2

（1.School of Automobile and Traffic Engineering ，Jiangsu University ，Jiangsu Zhenjiang 212013，China ；2.Jiangsu Wanli Machinery Co.Ltd ，Jiangsu Nantong 226600，China ）

Abstract ：Single and whole crankshaft of 480diesel engine was analyzed by ANSYS software.Endurance bending strength of two models was calculated under different loading conditions,which could reflect the strength concentration,strength and transformation distribution,which was the limit of allowed strength.Endurance bending strength experiment for single crankshaft of 480diesel engine was taken to calculate the variation of circulated cardinal number of bending moment.Through contrast of results of single and whole crankshaft,it reflected strength concentration area was more likely to appear the transition area between the crank and connecting rod journal or main journal.Whole crankshaft model could reflected the static quality of crankshaft more comprehensively and actually than single model.Key Words ：Crankshaft ；Finite Element Model ；Stress ；Fatigue Test

Machinery Design &Manufacture

机械设计与制造

第1期

2019年1月

万方数据