浅谈曲轴设计加工及强度仿真校核方法

浅谈曲轴设计加工及强度仿真校核方法摘要：在内燃机曲轴设计时曲轴的结构强度和材料选择具有重要的作用，一方面通过对内燃机曲轴疲劳破坏形式及其主要原因的分析；另一方面通过计算机仿真来进行强度振动分析，曲轴的质量优劣直接影响着发动机的性能和寿命。

abstract： crankshaft quality directly affects the engine performance and life. in the design of internal combustion engine crankshaft， crankshaft structure strength and material selection plays an important role. on the one hand，the paper analyzes the internal combustion engine crankshaft fatigue failure forms and main reason； on the other hand，it makes strength vibration analysis through the computer simulation.
关键词：内燃机；曲轴设计；强度仿真
key words： internal combustion engine；crankshaft design；strength simulation
中图分类号：tg519.5+4 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）02-0051-02
0 引言
曲轴的破坏形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损，疲劳断裂抗力或疲劳寿命及其耐磨性，主要取决于以下两点：①合理选择曲轴的材质，并用先进的加工技术和强化工艺。

②曲轴的结构。

主要取
决于产品的设计问题曲轴有组合式和整体式之分。

前者用于重型和低速发动机中，后者主要用于中大功率发动机中。

对于整体结构的曲轴，球铁材质的可以制成空心的，它比实心结构的疲劳强度（抗力）能提高10%左右，如果适当加大曲轴连杆轴颈的过渡圆半径，还能提高疲劳抗力5%。

在曲轴上合理地开卸载槽也能提高疲劳抗力。

1 内燃机曲轴结构设计的基本要求
对内燃机曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度有影响的，主要是内燃机曲轴部分的结构形状和主要尺寸，因而内燃机曲轴设计须主要满足以下要求：
①合理配置平衡块，减轻主轴承负荷和振动。

应根据各种内燃机的不同特点，结合总体设计综合考虑，上述各项设计要求相互关联，又相互制约。

②合理的曲柄排列，改善轴系的扭振情况，扭矩均匀，使其工作时运转平稳。

③轴颈—轴承副油孔布置合理，具有足够的承压面积和较高的耐磨性。

④为保证活塞连杆组和曲轴各轴承可靠工作，应保证足够的刚度，减少曲轴挠曲变形，以尽量避免在工作转速范围内发生共振，提高曲轴的自振频率。

⑤功率输出端的静强度、扭转疲劳强度以及曲柄部分的弯曲疲劳强度，都要进行保证。

2 曲轴材料和加工工艺的选择
①锻钢曲轴（如图1所示）
按照曲轴的工作条件，材料在通过强化处理后，应具有优良的
综合机械性能，较高的强度和韧性；良好的疲劳抗力，防止疲劳断裂，提高寿命；良好的耐磨性。

曲轴的材料一般为中碳钢与合金钢，如35crmoa、42crmoa等。

大功率、大排量柴油机多采用综合机械性能较高的锻钢曲轴，但其消耗大量优质合金材料和加工工时，生产周期长，昂贵的设备，使得一般企业难以具备。

②锻造曲轴（如图2所示）
锻造曲轴具有成本低，耐磨性好，吸振能力强，缺口敏感性低以及抗扭转疲劳强度高，变形小，有良好的自润滑能力，抗氧化性好等优点，因此，国内外中小型内燃机多倾向采用锻造球铁曲轴，这是由于用球铁制造曲轴，可充分利用锻造工艺的优越性，制作复杂的曲柄和内部油腔等，能够得到理想的结构形状，使应力分布更加合理，材料利用的更加充分，同时加工余量小，加工方便，生产周期短，便于大量生产。

表1为部分锻造球铁与锻钢曲轴材料的性能比较。

通过上表可以看出，运用不同材料和加工工艺得到的曲轴在机械性能和硬度方面有较大的差异。

3 曲轴的应力分析及强度校核
为对内燃机曲轴进行应力分析及强度校核，内燃机曲轴的应力分析及强度校核广泛应用cae软件-ansys，下面以单缸机分析为例来具体说明。

即利用建立的有限元模性来进行校核和分析。

3.1 三维模型的建立将在ug5.0中建立的曲轴模型另存为
catia模型文件（*.model）格式，导入到ansys10.0如图3所示。

3.2 单元选择及网格划分网格数量的多少将影响计算结果的
精度和计算规模的大小。

一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加。

所以在确定网格数量时，应权衡这两个因素综合考虑。

若仅仅计算少数低阶模态，可选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格如图4。

3.3 模态计算分析这里曲轴材料为qt700-2，弹性模量取
154gpa，泊松比0.27，密度 7400kg/m3，模态分析使用块兰索斯法即使用稀疏矩阵求解器。

图5是不同阶数振型。

3.4 计算结果分析根据计算结果，该连杆在5000hz以内识别出六阶模态。

①第一阶模态的频率为1264hz，振型为曲轴沿y轴方向的弯曲振动；②第二阶模态的频率为1558hz，振型为曲轴沿z轴方向的扭转振动；③第三阶模态的频率为1685hz，振型为曲轴沿z 轴方向的扭转振动；④第四阶模态的频率为2381hz，振型为曲轴沿y轴方向的弯曲振动；⑤第五阶模态的频率为2566hz，振型为曲轴沿z轴方向的扭转振动；⑥第六阶模态的频率为2906hz，振型为曲轴沿y轴方向的弯曲振动。

曲轴的弯曲振动会引起曲轴圆角的应力集中，扭转振动会引起曲轴油孔的应力集中。

曲轴沿轴线方向的形状变化和横断面的急剧改变，都会引起应力沿曲轴长度和横断面的不均匀分布，特别是在曲柄臂到轴颈的过渡区及润滑油孔附近应力集中情况十分严重，疲劳裂纹大都起源于这些部位。

4 总结
通过分析曲轴主要的损坏形式来确定设计曲轴时应该注意和考虑的因素，另一方面在曲轴加工工艺和材料选择上，具体的比较了两种工艺方式的优劣性。

最后，提出了曲轴的应力分析及强度校核方法，它有利于多种型号产品的开发，可以大大缩短内燃机曲轴结构设计的周期，这种先进的校核方法，比较适合现代的社会发展。

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