内燃机曲轴分析案例

产品与技术内燃机车柴油机锻钢曲轴氮化变形超差校直工艺方法中车戚墅堰机车有限公司 朱国华 卢 建 杨 诚分析了内燃机车柴油机锻钢曲轴氮化后变形超差的原因，介绍了敲击校直法、热压调法、楔形块校直法三种校直方法的原理、特点及局限性，结合实际应用经验介绍了三种方法使用过程中的注意事项，并给出了使用三种校直方法进行校直的实例。

曲轴是内燃机车柴油机的核心传动零件，其作用是将活塞的往复运动转变为旋转运动并输出功率。

柴油机工作过程中，往复的惯性力和离心力会使曲轴承受很大的弯曲、扭转等复杂交变应力，轴颈表面受到磨损，因此，曲轴的损坏形式主要是主轴颈与曲柄过渡处的疲劳断裂以及轴颈的严重磨损，故其需要具备良好的耐磨性和疲劳强度等。

另外，由于在柴油机装配过程中，曲轴与轴瓦之间的配合有一定要求，故对主轴颈的弯曲变形量有一定的限制，以免机车运行时，发生粘瓦等严重质量事故。

目前工业生产中常用的曲轴表面强化工艺方法有氮化，中频感应淬火，圆角滚压，喷丸强化等。

我公司生产的内燃机车柴油机锻钢曲轴即采用气体氮化处理，气体氮化过程形成的氮化层可以提高曲轴轴颈表面的耐磨性，并显著提高曲轴的疲劳强度。

当前在气体氮化曲轴生产中一个较大的难题是变形的控制。

由于曲轴表面的氮化层较薄，气体氮化后较大的变形不能借助磨削的方法消除，为保证制造精度，对于气体氮化后变形超差的曲轴只能进行校直。

1.锻钢曲轴气体氮化后变形的原因曲轴变形超差主要是指氮化后曲轴主轴颈径向跳动量超过工艺要求值，导致曲轴氮化后变形量超过工艺要求值的因素主要有：（1）曲轴自身结构的影响工件的热处理变形与其自身的结构对称性有直接的关系，工件自身对称性越高，热处理过程产生的变形越小。

内燃机车柴油机锻钢曲轴，尤其是12缸曲轴，第1、第6连杆颈，第2、第5连杆颈和第3、第4连杆颈之间互成120°，为不对称结构，在长时间的气体氮化保温过程中极易导致应力分布不均，造成氮化后变形量超差。

第15卷增刊计算机辅助工程 V ol. 15 Supp1.年月20069COMPUTER AIDED ENGINEERING Sep. 2006 文章编号：1006-0871(2006)S1-0151-02内燃机曲轴的刚度分析彭北京，郑松涛，陈海彬，郭东劭(浙江钱江摩托股份有限公司，浙江温岭 317500)摘要：应用MSC Patran前处理系统对摩托车用汽油机的曲轴、连杆机构进行网格划分和用非线性有限元分析软件MSC Marc进行刚度计算分析，得出汽油机实际运行中所受到最大载荷工况下的曲轴、连杆机构各零件应力和变形云图. 通过有限元模拟计算，为曲轴、连杆机构的结构设计提供指导和优化方向，以满足各项性能要求.关键词：MSC Patran；MSC Marc；摩托车；曲轴连杆机构；刚度中图分类号：TP391.4; U483.133.3文献标志码：A0 引言近年来，为提高内燃机的比功率、减小质量和尺寸，内燃机的设计转速越来越高，因而对其力学性能的研究更显重要.本文着重讨论某摩托车用发动机曲柄连杆机构的强度和刚度计算分析. 在发动机性能测试过程中，发现该款发动机的性能指标比同类机型低，经反复对比和原因查找分析后发现是该发动机的机械损失偏大所致. 为此，对该曲柄连杆机构进行建模作对比分析. 首先，对曲轴、连杆、主轴承按符合实物的要求进行三维建模和装配，合理简化后直接导入到MSC Patran中并利用其强大的前处理功能进行网格划分，再将单元、节点信息导入到非线性有限元分析软件MSC Marc进行刚度计算分析，各零件之间的接触定义均按照实际工作模型执行.1 有限元模型的建立根据曲柄连杆机构的结构几何特征和承载方式，以Pro-E软件建造的符合实物要求的三维装配件实体模型为基础，经适当的、合理简化建立详细的曲柄连杆机构有限元模型.1.1 网格划分采用4节点4面体单元进行网格划分. 结点数和单元数见表1.表 1 曲轴连杆机构的结点数和单元数零件结点数单元数曲轴连杆机构81 398 48 6311.2 材料与属性计算中所使用的材料参数如下：合金钢的材料参数：弹性模量：2.06e+005 MPa材料密度：7.85e－009 t/mm3泊松比：0.268 5长度单位：mm曲轴连杆机构有限元模型受力及约束图见图1：图 1 曲柄连杆机构有限元模型受力及约束原始设计计算结果，变形云图见图2：图 2 变形云图曲柄连杆机构各部位最大变形偏角，见表2：计算机辅助工程年152 2006表 2原始设计各部位最大变形偏角2 改进结构计算结果从提高曲柄连杆机构刚度(减小变形偏角)角度出发，根据计算结果对该款机型的曲轴连杆机构进行结构改进，并按照原始设计结构的步骤重新进行建模分析. 计算结果见表3.3 分析与结论由表3可以看出，改进结构使曲轴连杆机构各部位的变形偏角减小近30%. 采用改进结构的曲轴重新做实验，发动机的功率提高近20%，结果数据表明采用有限元计算结果与实际测试结果基本一致，并且根据有限元计 表 3改进结构各部位最大变形偏角算结果所提出的改进方向和结构非常具有实效.表 4 结果对比参考文献：me A:Theory And User Information[K]社，1994.数值方法[M]. 北京：清华大出版社. （编辑 吴彦生）[1] MSC Marc Volu [2] MSC Patran User's Manual[K].[3] 机械工程材料性能数据手册[K]. 北京：机械工业出版[4] 王勖成. 邵敏. 有限元基本原理和学。

发动机曲轴磨损案例一、案例描述本案例涉及一台使用中的发动机曲轴发生磨损。

曲轴是发动机中非常重要的部件，负责将活塞的往复运动转化为旋转运动，以驱动车辆前进。

磨损发生在一个曲轴轴承上，导致曲轴在旋转时产生摩擦噪音，并可能影响发动机的性能。

二、磨损原因分析经过详细检查和分析，发现曲轴轴承磨损的主要原因是润滑不良。

润滑系统未能提供足够的润滑油，导致曲轴轴承在高速运转时受到严重摩擦。

此外，润滑油的清洁度不够，含有大量杂质，也加剧了轴承的磨损。

三、损坏的影响曲轴轴承的磨损对发动机的性能和寿命产生了严重影响。

首先，摩擦噪音的产生会影响驾驶的舒适性。

其次，曲轴轴承的磨损会导致发动机效率降低，功率输出下降。

最后，由于曲轴是发动机的核心部件，其损坏可能会引发一系列其他问题，如连杆断裂、活塞磨损等，最终可能导致发动机完全失效。

四、修复与更换决策针对曲轴轴承磨损的问题，有两种可能的解决方案：修复或更换曲轴。

修复方案包括对磨损的轴承进行研磨，以恢复其光滑度，并更换清洁的润滑油。

如果磨损程度较轻，这是一个可行的选择。

然而，在本案例中，由于磨损程度较严重，修复可能无法完全解决问题，且存在一定的风险。

因此，更换曲轴成为更安全、更可靠的解决方案。

新的曲轴经过精密加工，能够确保轴承的光滑度和正确的配合。

更换曲轴需要专业技术人员进行，以确保新曲轴正确安装和调整。

五、预防措施为了防止类似的问题再次发生，需要采取一系列预防措施。

首先，定期检查润滑系统，确保润滑油充足且清洁。

其次，定期更换润滑油，以避免油泥和杂质的积累。

此外，对于使用较长时间的车主来说，考虑对发动机进行全面检查和维护，以确保各部件的正常运行。

通过实施这些预防措施，可以显著降低曲轴轴承磨损的风险，延长发动机的使用寿命。

同时，车主应选择高品质的润滑油并定期更换，以提供良好的润滑效果。

总之，发动机曲轴轴承磨损是一个严重的问题，需要得到及时解决。

通过分析磨损原因、评估损坏影响、采取修复或更换措施以及实施预防措施，可以确保发动机的正常运行并延长其使用寿命。

α文章编号:100127445(2000)022*******G 170柴油机曲轴有限元分析蒲明辉,黄世伟(广西大学机械工程学院,广西南宁　530004)摘要:阐述了有限元法的基本理论,并介绍将有限元法应用于G 170柴油机曲轴的强度和刚度分析方法,应用I D EA S 软件对连杆计算模型进行计算,得出曲轴应力和变形分布图,并对结果进行了分析.关　键　词:有限元法;曲轴;曲轴计算模型中图分类号:TB 115 文献标识码:A曲轴是柴油机的主要零件,应具有足够的强度和刚度,其设计是否可靠,对柴油机的使用寿命有很大影响,因此在研制过程中需给予高度重视.由于曲轴的形状及其载荷比较复杂,对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性[1].有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法,它最初是在50年代作为处理固体力学问题的方法出现的[2].有限元法是分析各种结构问题的强有力的工具,不论结构的几何形状和边界条件多么复杂,不论材料性质和外加载荷如何多变,无论是大型飞机、大型舰船,还是高层建筑、水利大坝,使用有限元法均可方便地进行分析和获得满意的答案.在国外,许多制造企业,把有限元分析作为设计过程的一个必需步骤,规定不经过有限元分析和优化的设计,不能用于生产.G 170柴油机是南宁机械厂正在开发的新产品,为检验其曲轴的强度和刚度,确保产品开发进度,作者用有限元法对该曲轴进行了分析.1　有限元的基本理论有限元分析是一种预测结构的偏移与其他应力影响的过程,有限元建模将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型,每个单元具有简单形态(如正方形或三角形)并通过节点相连,每个单元上的未知量就是节点的位移.将这些单个单元的刚度矩阵相互组合起来以形成整个模型的总体刚度矩阵,并给予已知力和边界条件来求解该刚度矩阵从而得出未知位移,从节点上位移的变化就可计算出每个单元中的应力.有限元分析可使有限元计算模型在离散化后归结为一个线性方程组求解,其形式如下[3,4]{F }=[K ]{∆},(1)式中{F }为所受的外力向量,[K ]是计算模型的整体刚度矩阵,{∆}是计算模型上各节点的位移向量.根据有限元理论,[K ]是由每个单元的刚度矩阵迭加而成,即[K ]=6[E ]e ,(2)式中[K ]e 表示单元的刚度矩阵,其计算公式为[E ]e =µ[B ]T [D ][B ]d x d y d z ,(3)式中[B ]表示单元的几何矩阵,该矩阵与单元类型有关,[D ]是材料的弹性矩阵,该矩阵是6×6阶的对称矩阵,具体形式取决于材料的特性.第25卷第2期2000年6月广西大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi U niversity (N at Sci Ed )V o l .25,N o.2　June,　2000　α收稿日期:20000103;修订日期:20000201作者简介:蒲明辉(1964),男,广西合浦人,广西大学讲师.式(1)中所受的外力向量可由下式表达{F }=6({R }e +{Q }e +{P }e ),(4)式(4)中{R }e 是单元的集中力,{Q }e 是单元的表面力,{P }e 是单元的体积力.在得出方程(1)的各系数后,给出边界条件,可得出所求有限元模型上各节点的位移{∆}.为了求出模型上的应力[Ρ],先求出单元上各节点的应变[Ε],{Ε}=[B ]{∆}e ,然后根据弹性方程{Ρ}=[D ]{Ε}计算出应力.2　曲轴计算模型的建立212　几何模型的建立(1)材料特性　曲轴的材料是40C r 合金结构钢,其材料特性为:弹性模量E =206M Pa ,泊松比Λ=0.28,屈服极限Ρs =784M Pa ,强度极限Ρb =980M Pa .(2)几何模型的建立　先根据曲轴的设计图纸在计算机上用I D EA S 6.0软件对曲轴进行三维实体建模.为避免有限元网格尺寸大小相差悬殊而影响有限元单元质量和计算精度,对一些影响曲轴强度极微的小倒角、小圆角及键槽等结构作了简化处理(如图1).由于曲轴的几何形状和所受载荷对称于其中剖面,因此可取二分之一曲轴作为计算模型,并选用四节点四面体单元进行有限元网格划分,共计27731个节点,17668个单元(见图2).图1　曲轴零件简图 图2　曲轴有限元网格图212　计算工况和边界条件 (a )　最大惯性力分布 (b )　最大爆发力分布图3　曲轴载荷分布情况(1)曲轴受力情况　根据计算数据分析,曲轴在作功行程上止点处(即曲轴转角360°)受到最大爆发压力作用,其值为P 1=22942.17N ,此压力通过连杆大头轴瓦作用在曲轴连杆轴颈上部的圆柱面上.在进气行程上止点时受到最大惯性力作用,其值P 2=3894.6N .此力通过连杆盖轴瓦作用在曲轴连杆轴颈下部的圆柱面上.这两个力在接触处沿周向呈余弦规律分布(见图3),其分布规律为q Η=q A co s n Η,(5)式中n 为待定系数;q A 为径向最大压力集度,N mm 2;q Η为任意点上的径向压力集度,N mm 2.在图中Υ为曲轴连杆轴颈与连杆大头轴瓦的接触角,其大小与轴颈和轴瓦的刚度,它们之间的间隙以及润滑状况有关.接触角的选取对轴颈附近应力的计算结果影响较大,且Υ取值越小应力计算结果越大,一般情况下接触角可在120°～180°范围内选取[1].由于要检验曲轴的强度和刚度情况,因此我们考虑装配和润滑最差的状况,在此取Υ=120°.当Η=Υ 2,q Η=0,于是得n =3 2.该力沿曲轴连杆轴颈的轴向均匀分布.设r 为连杆轴颈的半径,l 为连杆轴颈受压部分的轴向长度,则轴颈上所受的总压力为201广西大学学报(自然科学版)第25卷　p j =l ∫Υ2Υ2q Ηco s Η r d Η=l ∫Π3Π3q A r co s Η co s n Η d Η=65l r q A ,所以q A =5p j 6l r.因此,由(5)式得q Q =5p j 6l ・r ・co s 32Η,(6)式中p j 分别对应P 1(最大爆发压力)和P 2(最大惯性力).(2)模型和边界条件的简化　由于曲轴沿轴线的中剖面几何形状近似对称,载荷对称,因此在确定曲轴边界条件的前提下取曲轴的一半进行分析,并对实际情况的边界条件进行简化,具体简化如下:①在上述两种工况下将曲轴主轴颈与主轴承接触处的上下120°圆柱面及轴长2 3范围分别施加径向约束.②在曲轴轴线中剖面上施加对称约束.③为了限制曲轴沿轴向的刚体位移,必须在曲轴上施加轴向约束.而轴向约束必须加在曲轴在受力变形过程中没有轴向位移或位移很小的节点上.经过反复多次计算分析,在曲轴连杆轴颈轴向中点处附近的节点轴向位移最小,因此,将限制曲轴沿轴向位移的约束加在连杆轴颈轴向中点节点处.通过以上约束后,整个曲轴就不存在任何形式的刚体位移.3　曲轴的计算分析分别计算在作功行程上止点最大爆发压力和在进气行程上止点最大惯性力两个工况的应力和变形情况.求解及结果后处理工作均在集成化工程设计分析软件I D EA S 6.0版本上完成.311　变形分析在最大爆发力作用时,曲轴各部分在轴向方向的位移量在0.0172～0.0399mm 范围,在右边平衡块下端有最大的轴向位移,其值为0.0587mm (见图4),在最大惯性力作用时,曲轴变形更小(见图5).图4　最大爆发力工况变形分布图 图5　最大惯性力工况变形分布图312　应力分析在作功行程上止点时,最大爆发力作用在连杆轴颈上部,曲轴拉应力发生在连杆轴颈下部、主轴颈下部与曲柄连接处的过渡圆角等局部区域(见图6),而最大拉应力Ρ+m ax =125M Pa ,发生在连杆轴颈与曲柄相连的过渡圆角处.曲轴大部分区域受压力作用,压应力较大的部位是连杆轴颈与连杆轴瓦接触处(见图7),其值在111～123M Pa 之间,最大压应力Ρ-m ax =195M Pa ,发生在主轴颈与曲柄连接处下部过渡圆角处.按第四强度理论计算的等效应力较大值发生在主轴颈与曲柄相连的过渡圆角处及连杆轴颈与曲柄相连的过渡圆角的下部,其值在100～119M Pa 之间,最大值发生在右主轴颈与曲柄相连处过渡圆角的下部,其值为Ρm ax =125M Pa (见图8).在进气行程上止点,最大惯性力作用在连杆轴颈的下部,相对前面工况而言,应力很小,对曲轴的静强度影响不大,但对曲轴的疲劳强度则有一定影响,其等效应力分布情况可参见图9.301第2期蒲明辉等:G 170柴油机曲轴有限元分析图6　最大爆发力工况最大主应力分布图 图7　最大爆发力工况最小主应力分布图图8　最大爆发力工况等效应力分布图 图9　最大惯性力工况等效应力分布图由上述分析结果可知,曲轴有很大的静强度储备,静强度安全系数n =Ρs Ρm ax =6.27.并且有很好的刚度以抵抗变形,完全能满足该柴油机对强度和刚度的要求.参考文献:[1]　郭成壁,陈全福.有限元法及在动力机械中的应用[M ].北京:国防工业出版社,1984.49255,1612173.[2]　张国端.有限元法[M ].北京:机械工业出版社,1991.1217.[3]　监凯维奇O C .有限元法:上册[M ].北京:科学出版社,1985.962151.[4]　劳尔S S .工程中的有限元法[M ].北京:科学出版社,1991.2622273.A f i n ite elem en t ana lysis for crankshaf t of G 170d iesel eng i nePU M ing 2hu i ,HU AN G Sh i 2w ei(Co llege of M echanical Engineering ,Guangxi U niversity ,N anning ,530004)Abstract :T he basic theo ry of the FEA and the m ethod of u sing th is theo ry to analyze the crank shaft of G 170diesel engine are p resen ted .T he softw are of I D EA S is u sed in calcu lating and analyzing the stress and the disp lacem en t of that crank shaft .Key words :FEA (fin ite elem en t analysis );crank shaft ;FEA m odel of crank shaft(责任编辑　刘海涛)401广西大学学报(自然科学版)第25卷　。

内燃机用曲轴和连杆研发生产方案一、实施背景随着全球能源结构的转变和环保意识的提高，内燃机行业面临着严峻的挑战。

为了满足更高的燃油效率、环保标准以及可靠性需求，内燃机的核心部件如曲轴和连杆需要进行深入的研发和生产改革。

近年来，我国内燃机行业在技术引进和自主研发方面取得了长足的进步，但在关键零部件如曲轴和连杆的研发和生产上，仍然存在一定的短板。

为了提升我国在内燃机领域的核心竞争力，本方案旨在提出一套全面、系统的内燃机用曲轴和连杆研发生产方案。

二、工作原理1.曲轴：曲轴是内燃机中的核心部件，主要承受交变扭矩和弯曲应力。

本方案采用的高强度材料和优化结构设计能够提高曲轴的疲劳强度和刚度，降低振动和噪声。

2.连杆：连杆将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。

本方案通过精确控制连杆的长度、直径以及材料选择，优化其力学性能，降低惯性力和冲击载荷，提高运行平稳性。

三、实施计划步骤1.技术调研：深入了解国内外内燃机用曲轴和连杆的研发生产现状，分析行业发展趋势和技术瓶颈。

2.研发团队建设：组建由材料科学家、机械工程师、分析师等组成的跨学科研发团队。

3.材料选择与优化：结合性能需求，筛选合适的材料，进行材料性能测试和优化。

4.结构设计：根据功能需求和性能要求，进行曲轴和连杆的结构设计。

5.样品试制：制作原型样品，进行严格的测试和验证。

6.生产工艺制定：确定生产工艺流程，制定质量控制标准。

7.批量生产：通过与合作伙伴共同投资，建立生产线，实现批量生产。

8.市场推广：与内燃机制造商合作，推广新型曲轴和连杆产品，同时拓展海外市场。

9.持续改进：收集用户反馈，不断优化产品设计和生产工艺。

四、适用范围本方案适用于大功率内燃机如船用、机车用、发电机组用内燃机的曲轴和连杆研发生产。

同时，也可应用于汽车、工程机械等领域的内燃机核心部件研发生产。

五、创新要点1.独特的材料选择和优化方法：通过多学科交叉研究，提出了一种新型的高强度材料及其制备方法，显著提高了曲轴和连杆的性能。

内燃机用曲轴和连杆研发生产方案一、实施背景随着全球能源结构的转变和环保政策的日益严格，高效、节能、环保的内燃机市场需求持续增长。

内燃机用曲轴和连杆作为核心部件，其性能直接影响到内燃机的效率、可靠性及寿命。

中国作为全球最大的内燃机市场，对高效、耐用的曲轴和连杆需求量巨大。

然而，国内产品在材料、工艺、设计等方面与国际先进水平存在一定差距，难以满足市场需求。

因此，开展内燃机用曲轴和连杆的研发生产具有重要意义。

二、工作原理1.曲轴：曲轴是内燃机的主要受力部件，承受着交变扭矩和弯曲应力的作用。

研发过程中，需对材料、热处理、机械加工等环节进行精细化控制，确保曲轴的高强度、高韧性及长寿命。

2.连杆：连杆将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。

研发重点在于优化结构设计，提高材料利用率和加工精度，以实现连杆的高效、稳定运行。

三、实施计划步骤1.市场调研：了解国内外内燃机用曲轴和连杆的市场需求、技术动态及发展趋势。

2.技术研究：开展材料、工艺、设计等方面的技术研究，为产品研发提供技术支持。

3.产品设计：根据市场需求和技术研究结果，进行内燃机用曲轴和连杆的设计。

4.样品试制：根据设计图纸和技术要求，制作样品进行试验和验证。

5.试验与改进：对样品进行性能试验、寿命测试等，根据试验结果对产品设计进行改进。

6.批量生产：经过多次试验验证后，开始批量生产内燃机用曲轴和连杆。

7.质量管理体系建设：建立完善的质量管理体系，确保产品的稳定性和可靠性。

8.市场营销与推广：开展市场营销和推广活动，提高产品知名度和市场占有率。

四、适用范围本研发生产方案适用于内燃机行业，包括汽车、船舶、工程机械等领域。

同时，也可为新能源动力系统、发电机组等提供技术支持。

五、创新要点1.材料选择：采用高强度合金钢、钛合金等新型材料，提高曲轴和连杆的强度和寿命。

2.结构设计：优化曲轴和连杆的结构设计，提高其承载能力和稳定性。

3.制造工艺：引入先进的机械加工技术和热处理工艺，提高产品的加工精度和整体质量。