曲轴组扭振与强度分析

基于EXCITE PU动力学的曲轴强度计算与分析孙权（沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司开发部）[摘要]本文利用EXCITE PU软件平台对4G69D4T直列四缸汽油机曲轴的疲劳强度计算和分析，基于多体动力学方法计算曲轴的疲劳安全系数。

结果表明，当前曲轴强度能够满足本发动机使用要求。

关键词：曲轴；疲劳强度；子模型；安全系数；主要软件：EXCITE PU; ABAQUS; HYPERMESH; FEMFAT;The Strength Calculation and Analysis of CrankshaftBased on EXCITE PUQuan Sun（Shenyang Aerospace MITSUBISHI Motor Engine Manufacturing Co., Ltd）[Abstract]This article calculates and analyzes the crankshaft fatigue strength of a inline four-cylinder engine with A VL EXCITE software. The EXCITE PU software is applied to calculate the fatigue safety factor based on multi-body dynamics method. The results show Strength of the Crankshaft can meet the requirements of the engine.Keywords: Crankshaft; Fatigue Strength; Sub-model; Safety Factor;Software: AVL EXCITE; ABAQUS; HYPERMESH; FEMFAT;1.前言曲轴作为发动机的关键零部件之一，其扭振状况、强度可靠性、轴颈的滑动润滑等对发动机的工作性能和寿命有决定性的影响；曲轴的结构设计对发动机整机的空间布置、端部附件的性能以及发动机的使用寿命、NVH性能，以及缸体和轴承座的可靠性等有着重要影响。

0引言曲轴系是典型的弹性轴系统，它由曲轴和与之相连的运动部件组成。

在柴油机工作过程中，曲轴伴随着扭转、弯曲等各种形式的振动，所以在柴油机固有工作频率范围内，轴系将可能产生共振，从而导致曲轴出现扭转、弯曲等疲劳破坏。

因此，为了在曲轴研发过程中提高产品的可靠性和寿命，我们必须研究并掌握曲轴在工作过程中的振动规律以及载荷的变化规律。

梁兴雨以曲轴系统有限元分析为基础，通过建立由多个自由度组成的发动机刚柔耦合多体动力学系统模型，对构成主要柔性体的曲轴系统进行了扭振响应分析[1]；董俊红通过虚拟样机技术对3缸机的扭振特性与扭转控制进行了深入解析与研究[2]；上官文斌分析了曲轴系统的固有频率和在气缸压力的作用下曲轴前端的扭振[3]。

目前国内外学者对曲轴的研究主要集中在振动特性分析等方面，对于应用虚拟样机技术动力学建模和扭转振动分析的研究相对较少。

本文以4B3.9-G2型柴油机曲轴轴系为分析对象，利用GT-Crank 软件建立该柴油机轴系多刚体动力学模型，并在此基础上进行扭振和整机振动仿真分析；最后调整影响曲轴扭振的相关因素后再次模拟，并对比分析所得结果。

1动力学虚拟样机的建立定义基本模型是多刚体模型建模的首要步骤，我们必须按照软件的要求输入刚体的参数。

柴油机曲轴的设计首先通过查阅相关设计手册大致了解整个设计的步骤，在给定的原始参数和用途等要求的基础上初步确定总体的设计方案。

为了提高曲轴的疲劳强度，保证曲轴的额定寿命在6000~10000小时，需采用合适的材料和工艺方法[4]。

本次设计为4缸直列式柴油机选用整体式全支撑曲轴，结构简图如图1所示。

图1四缸柴油机曲轴简图曲轴模型包括主轴颈、曲柄以及曲柄销三个模块，是柴油机曲轴轴系虚拟样机模型中最核心的一部分。

GT-Crank 软件中，是根据气缸数量将曲轴分段来建立曲轴模型的。

每段曲轴分为主轴颈、两段曲柄、一段曲柄销。

注意曲轴各个部分前后连接的前后顺序，不同的端口对应不同的零部件和作用，如图2所示。

曲轴系静动强度及扭振仿真分析的开题报告
一、选题背景
曲轴是内燃机等发动机的重要部件之一，其主要功能是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并通过连杆传递汽缸内燃气的动力。

曲轴的静动强度及扭振是曲轴设计的
重要指标之一，影响着发动机的性能和寿命。

二、选题意义
曲轴的静动强度及扭振分析对于优化曲轴的设计具有重要意义。

通过仿真分析，可以预测曲轴在使用过程中的受力情况及可能出现的破坏形式，进而对曲轴的结构进
行优化，使其耐久性和稳定性得到提高。

三、选题内容
本文主要对曲轴系静动强度及扭振进行仿真分析。

具体内容包括：
1. 建立曲轴的三维模型，并确定其材料及工艺参数；
2. 对曲轴进行静强度分析，确定其受力情况及可能产生的破坏形式；
3. 对曲轴进行动力学仿真分析，分析其扭振情况及可能产生的共振频率；
4. 对仿真结果进行分析并提出相应的改进措施，以优化曲轴的设计。

四、预期成果
通过本文的研究，预期达到以下成果：
1. 建立了曲轴的三维模型，对其静动强度及扭振进行了仿真分析；
2. 确定了曲轴的受力情况及可能产生的破坏形式，为优化曲轴的设计提供了依据；
3. 针对曲轴存在的问题，提出了相应的改进措施，可供曲轴的设计和制造参考。

图1
2.3建立轴系有限元模型
由于曲轴的结构复杂，因而本文选择Pro/E来绘制其实体模型，然后通过ANSYS对它进行单元网格划分，以此确保能建立起与实际情况相符的轴系模型。

此外，我们还需对轴系进行一定程度上的处理，使之变得更加简易，方
轴系扭转耦合振动分析
本文的研究测验建立在只考虑因扭转振动而引发轴向振动的基础上。

通过研究分析可以得知，曲轴扭转的频率大约处在20-255Hz的范围内。

在扭转耦合振动中，
通过对图4、图5的观察和分析，可以得到：
动机有着比较强烈的扭转耦合振动。

②值得注意的是，置均有显而易见的碰撞痕迹，且痕迹与滚柱外轮廓的形态由此可断定挡片的裂痕是因滚柱的碰撞所致，同时也表明轴系扭转共振耦合引起的轴向振动会导致减振器受损断定结论是合理的。

本文的研究主要是为了解决因减振器失效而导致航空飞行过程中可能引发的安全问题，通过有限元法对航空
图2
图3
图4
图5
图6。

发动机曲轴的扭转振动分析作者：张震来源：《青年与社会》2014年第23期【摘要】曲轴的振动是影响内燃机生产、设计、制造和使用中的一个很重要因素。

曲轴的振动本质上是三维形式的振动，随着人们对曲轴振动的认识和要求，不仅扭转振动是人们研究的主要内容之一，弯曲振动、纵向振动也是研究的重要内容。

曲轴振动不但和引起振动的激励有关，而且和曲轴系的动态特性密切相关。

文章针对内燃机轴系扭振的危害、产生机理和实验与理论的建立过程及实验与理论结果的比较，以及改善扭振的方法，等方面进行了较为全面的阐述，为认识内燃机轴系扭振提供了较为全面的参考信息。

【关键词】内燃机；曲轴；扭振一、曲轴扭转振动原因简析内燃机曲轴装置之所以产生扭转振动，其内因是曲轴本身不但具有惯性，而且还有弹性，由此确定了曲轴本身固有的自由扭振特性。

而其外因则是作用在曲轴上周期性变化的激振力矩，例如：大爆发压力的活塞惯性力、曲柄连杆机构的惯性力和重力、附件的不规则阻力矩和外界反作用力，这些力矩是曲轴产生扭振的能量来源，只要机器在运行，这些激振力矩就存在，强迫扭振就持续发生，使得曲轴在运转时产生剧烈的振动。

激振力矩的频率、幅值等都对强迫振动的振幅起到极其重要的作用。

曲轴按照激振的频率进行强制振动，当激振频率与曲轴本身的固有频率相同时，就会产生共振。

当扭振应力超过轴系所能承受的应力时，曲轴将产生断裂。

所以控制曲轴扭转振动是内燃机工作者的工作重点之一。

燃机工作时，可燃混合气在气缸内燃烧。

由于燃烧时火焰传播速率很快，气缸内产生压力波的冲击与叠加，因此在上止点附近产生很高的爆发压力（压缩点火式发动机的最大爆发压力约90～160个大气压；火花点火式发动机的最大爆发压力相对小一些）和压力升高率（压缩点火式发动机的压力升高率约4～10个大气压/曲轴转角）。

这些高频大幅振荡的压力波作用在活塞顶面和气缸上，因而产生燃烧噪声和轴系与发动机整机的振动。

由于燃烧过程是周期性的，每循环气缸压力变化曲线可以用一系列不同振幅和相位的正弦波叠加合成。