发动机曲轴强度有限元分析

针对目前国内外发动机曲轴自动检测技术的不足,提出了一种以电荷耦合器件摄像方式获取发动机曲轴检测信息的方法.首先,将采集到的曲轴图片进行图像处理,得到曲轴各处的 特征信息;然后精确快速地检测出曲轴各个位置的几何尺寸和形位公差,判断出被测曲轴是否为合格产品.这种非接触式自动检测系统为实际生产中迅速、精确检测发动机曲轴提供了 一种有效手段.
Βιβλιοθήκη Baidu材料
QT800-6
加工工艺
滚压
密度
7.20T/m3 材料弯曲疲劳强度 320 Mpa
弹性模量 170000 Mpa
抗拉强度
800 Mpa
泊松比
0.3
屈服强度
480 Mpa
滚压强化系数 1.5～1.9
强化后曲轴的弯曲疲 劳强度
480 Mpa
注：曲轴滚压工艺处理后的强化系数为 1.5～1.9，本计算取的
2.期刊论文 冯菊.黄第云.牟宁斌.FENG Ju.HUANG Di-yun.MU Ning-bin 某发动机钢曲轴改球铁曲轴的可行性分析 -装备制造技术
2006,""(2)
由于降成本的需要,某发动机曲轴材料由钢改为球铁,通过对比分析,分别评估两种材料的曲轴强度和曲轴系的扭振,分析结论是安全系数、曲轴自由端共振振幅及许用应力均在许 可范围内,说明该发动机把曲轴材料由42CrMo改为QT800-6是安全的.
3.会议论文 汪衡量 发动机曲轴前端密封性分析与改进 2001
本文介绍了富康发动机曲轴前端密封性分析过程,阐述了发动机曲轴前端偶有渗油的解决措施及其效果,使富康发动机的密封性进一步提高.
4.学位论文 钟智攀 基于数字样机技术的曲轴多体动力学和有限元分析 2009
发动机曲轴是发动机中最重要的部件之一，它承受复杂、交变的冲击载荷，是发动机设计的重点和难点。传统设计、分析方法的简化难以满足实际的需要，而多体动力学和有限 元法的发展使得精确地分析曲轴动力学响应问题成为可能。
2010．5
19
发动机曲轴强度有限元分析
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
刘志斌， 江爱林， 姚建军 刘志斌,江爱林(三一重工泵送研究院)， 姚建军(广西玉柴工程研究院)
中国科技纵横 CHINA SCIENCE & TECHNOLOGY PANORAMA MAGAZINE 2010，""(9) 0次
8.会议论文 孔庆华.韩媛.孙丽 发动机曲轴CAD系统的二次开发 2005
本文将应用最为普遍的工程软件Pro/E与四缸直列式汽油发动机的曲轴零件设计相结合,对发动机曲轴CAD系统的二次开发做了一个详细的介绍.文章介绍了本系统二次开发的必要 性,关键技术,二次开发所依据的理论基础及其实现.
9.学位论文 姚海南 发动机曲轴疲劳强度分析研究 2009
5
1409.6
9
2929.9
2
312.2
6
1802.5
10
3045.1
3
767.1
7
2455.4
11
4448.2
4
1028.4
8
2717.4
12
4921.8
图 2 振幅及安全系数 由于 2 谐次的曲轴振动对应着滚振，曲轴转动波动角比较大， 因此在振幅图（图 2）中没有给出 2 谐次的值。该曲轴的前 12 阶次 固有频率见表 7，一阶频率为 149.9Hz，共振对应的二谐次激励为 4497r/min，发动机最高转速度 3160r/min，共振转速是发动机最高 转速的 1.42 倍，因此 2 谐次的激励不会引起共振。 曲轴的振幅见图 2，曲轴在 4 谐次的振幅最大，较大振幅出现 在低速区，最大值为 0.0031rad，即 0.178deg，未超过 0.2deg，在 允许范围内。 曲轴的最小安全系数见图 4，接近 1.6，都大于 1.6 的许用值。
曲轴是发动机最为重要的部件，其性能优劣直接影响到发动机的可靠性和寿命。在交变载荷的作用下，致使曲轴出现疲劳破坏。因此，能够准确地分析曲轴的动力特性、进行强 度校核以及疲劳寿命的评估就显得极为重要。
由于曲轴的几何形状、边界条件和作用载荷都非常复杂，要尽量精确地模拟曲轴的力学特性，选择合适的计算模型是其中关键环节之一。本文综合考虑计算规模与结果精度，结 合曲轴的结构与运行特点，首先采用有限单元法建立曲轴及活塞、连杆系统的动力系统有限元模型。然后较全面系统地对曲轴的强度和疲劳寿命的影响因素进行基础研究分析，并针 对该曲轴动力系统，根据实际工况及其工作状态在多种载荷边界条件和位移边界条件下对曲轴的应力和变形进行了有限元分析；最后对曲轴进行弯曲疲劳试验，利用配对升降法分析 试验结果，试验结果与有限元分析结果基本一致，说明本文对于曲轴疲劳的研究方法是可行的，从而节约了大量的设计时间及设计成本。
本文探讨用数字样机技术，通过多体动力学仿真手段和有限元分析对发动机曲轴力学性能进行了研究。主要的研究工作概括如下： (1)结合现代机械设计的应用理论，系统介绍了现代内燃机设计开发过程的重要技术--数字样机技术；介绍了应用数字样机技术开展曲轴系统动力学研究的主要流程。 (2)在对曲轴强度的研究中，应用ADAMS软件，建立曲轴连杆和机体模型，进行了基于数字样机技术的曲轴系的动力学分析，模拟了曲轴的实际工作状况，得到曲轴的主轴颈及连 杆轴颈受力情况，从而为进一步研究分析曲轴强度奠定了基础。 (3)应用Pro/E软件建立曲轴的三维实体模型，通过Pro/E与ANSYS的接口将其转换成ANSYS有限元模型，对曲轴进行网格划分和边界条件的施加，进行了基于有限元方法的曲轴静 态强度分析，分析了曲轴的变形和应力状态，并完成了曲轴的疲劳强度计算，结果表明，该曲轴的强度满足设计和运行工况的要求。 (4)基于上述有限元模型对曲轴进行模态分析，计算了曲轴前6阶自由振动模态，分析了模态的振型及固有频率。通过模态实验和有限元计算相结合的方法来验证有限元模型的准 确性。数据表明，有限元计算模态结果与实验测试结果吻合较好，表明曲轴有限元模型在一定频率范围内能较好地表征各自物理模型的动态特性。曲轴的模态频率能够用来预测发动 机各部件之间动态干扰的可能性，通过合理的结构设计可以避开共振频率。这为发动机曲轴优化、改进设计提供了有价值的理论依据。 研究结果表明，利用数字样机技术，结合有限元分析手段可以完成发动机曲轴的动力学响应分析工作，获得了很好的仿真结果，同时对于发动机曲轴的改进设计，提高发动机设 计水平及提高发动机整机性能有着重要意义，是既经济又有效的科学化手段。
是最小值 1.5。
曲轴的主要结构参数见表 3：
表 3 曲轴主要尺寸（mm）
曲柄半径
57.5
连杆曲颈直径
66
主轴颈直径
85
主曲颈和连杆曲颈圆角半径 4
活塞连杆等相关部件的质量及转动惯量参数见表 4：
表 4 活塞等计算的数据
名称
质量（kg） 转动惯量 kg.mm2
活塞销
0.68
连杆部件
小头 大头
0.3665 1.32
曲柄臂
图 1 曲柄臂和平衡块及坐标系
表 5 曲柄臂和平衡块数据
材料
质量(kg)
质心(mm)
Xc
QT800-6 2.814 14.46
五、结论
（1）该球铁曲轴的最大振动振幅为 0.178deg，在允许范围内。 （2）曲轴采用滚压工艺，取最小硬化系数 1.5 时，最小安全 系数为 1.6，接近许用值，曲轴的疲劳强度是足够的。 作者信息 刘志斌（1965—），男，三一重工泵送研究院，转塔所所长。 主要从事产品开发和部件设计。
发动机曲轴的扭转振动是轴系振动的一个自然现象。如果轴系扭转振动的固有频率落在发动机工作的常用转速范围内，会引起曲轴的扭转共振，从而引起发动机的振动和噪声 ，轻则加剧发动机的振动和噪声，重则使曲轴断裂损坏发动机，造成严重事故。因此，对发动机曲轴的扭转振动测量对于汽车行业和发动机行业都是很重要的工作。本文介绍利用 LMS QTV模块对发动机曲轴扭转振动进行测量的一些技术和分析方法。
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgkjzh201009018.aspx 授权使用：西华大学(xhdx)，授权号：37532ab8-c8a5-429c-bf3a-9e63014a5903
本文介绍了利用增量式光电轴编码器自行研究开发的一套发动机曲轴转角信号调制系统的组成、工作原理，并对其在发动机测试技术领域内如何实现四种程发动机上止点的判别 校正，瞬时转速的测量，及判定转速方向以消除扭振影响，倍频以提高测量精度等特殊功能进行了具体阐述。
7.会议论文 杨正江.周登峰.陈宏强 使用LMS QTV进行发动机曲轴扭振试验 2008
科学技术
发动机曲轴强度有限元分析
刘志斌 1） 江爱林 1） 姚建军 2） 1）三一重工泵送研究院；2）广西玉柴工程研究院
【摘 要】运用有限元分析手段，对发动机曲轴进行了扭振和强度计算，结果表明该曲轴能满足设计要求。 【关键词】发动机 曲轴 强度 有限元
一、前言
曲轴作为发动机的关键部件，不仅承受活塞连杆组件传递的爆 压载荷，同时也承受飞轮、离合器组件的扭转载荷，处于一种弯扭 结合的受力状态。一旦曲轴断裂失效，其后果将是致命性的，因此 在发动机开发阶段，就应该校核曲轴的扭振和强度是否满足开发要 求。
活塞 飞轮与齿圈
1.4121
6.187×105
减震器外圈
2.0514×104
三、曲轴相关数据
曲柄臂和平衡块及坐标系如图 1 所示。曲柄臂
平衡块
Yc
转动惯量 kg.mm2
质量(kg)
转动惯量 kg.mm2
质心(mm)
Xc
Yc
11.84 6.6×103
1.276 7.61×103
14.0 -59.59
曲拐的扭转刚度用有限元计算。 由于曲轴的中间主轴颈比其 他主轴颈长，因此曲轴有两种曲拐。曲拐刚度计算有限元模型见图 1，计算得到曲拐的转角和扭转刚度如表 6。
表 6 曲拐扭角
短曲拐扭角（rad） 8.454×10-5 短曲拐扭转刚度（N.m/rad） 2.37×106
长曲拐扭角(rad ) 8.682×10-5 长曲拐扭转刚度（（N.m/rad） 2.31×106
该发动机的最大爆压 140bar，通过试验手段可以得到计算所需 的 2 个曲柄周期内的爆压数据。
5.会议论文 李海国.张小菊 发动机曲轴高效加工技术的应用与进展 2007
本文对发动机曲轴高效加工技术的应用与进展进行了探讨。文章围绕发动机曲轴加工技术现状、高效加工技术应用、复合加工技术应用、刀具材料多样化等进行了论述。
6.会议论文 曹诚.刘德新.刘书亮.郑尊清 发动机曲轴转角信号调制系统的研制开发 1999
对发动机曲轴而言，本文的计算方法和分析结果，对评估曲轴强度和疲劳寿命具有一定的参考价值。
10.期刊论文 李百华.王时龙.许南绍.李朝晖.LI Bai-hua.WANG Shi-long.XU Nan-shao.LI Zhao-hui 新型发动机曲轴非接触式自动检测
系统 -计算机集成制造系统2005,11(12)
四、扭振和强度计算
利用 ALV 的 Excite_Designer 软件进行计算，计算周期为两个曲
柄周期，得到曲轴系的固有频率列见表 5。轴前端各谐次的振幅如
图 2 左所示，曲轴主轴颈和连杆轴颈圆角的安全系数如图 2 右所示。
表 7 曲轴的固有频率（Hz）
阶次 频率值 阶次 频率值 阶次 频率值
1
149.9
二、计算模型和边界条件
对于曲轴扭振与强度分析，首先需要确认计算边界条件，表 1
为发动机相关参数。
表 1 发动机相关参数
缸径
108 mm
行程
115 mm
标定转速 2800 rpm 最大扭矩转速 1400～1800 rpm
最大爆压 140 bar
发火顺序
1－3－4－2
曲轴材料数据见表 2
表 2 曲轴材料数据
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本文介绍利用LMS QTV模块对发动机曲轴扭转振动进行测量的一些技术和分析方法。发动机曲轴的扭转振动是轴系振动的一个自然现象。如果轴系扭转振动的固有频率落在发动 机工作的常用转速范围内，会引起曲轴的扭转共振，从而引起发动机的振动和噪声，轻则加剧发动机的振动和噪声，重则使曲轴断裂损坏发动机，造成严重事故。因此，对发动机曲 轴的扭转振动测量对于汽车行业和发动机行业都是很重要的工作。虽然计算机辅助设计现在已能对发动机曲轴进行模拟计算，但最终仍然需要对发动机的曲轴进行实际扭振测量，并 且根据测量结果，判定曲轴的扭振状态是否可以保证发动机安全、可靠性的工作。因此，方便、快捷、准确地测量发动机曲轴的扭转振动的仪器开发，一直是工程技术人员在不断地 追求。LMS QTV很好地实现了这一追求。