曲轴强度计算新方法的研究

Key Words: I. C. Engine; Crankshaft F atigue Strength; New Calculat ion M ethods
中图分类号 : T K422. 4 文献标识码 : A
1 概述 曲轴的几何形状复杂 , 应力集中现象严重, 特别 是在曲轴主、 连轴颈的圆角过渡部位的应力集中现 象尤为突出。曲轴疲劳往往产生于这些应力集中较 高的区域。随着柴油机强化程度的提高, 对于曲轴 强度要求也越来越高 , 传统的通过曲轴形状系数和 经验公式[ 1] 计算曲轴疲劳强度的方法已经无法满足 柴油机高可靠性、 低重量、 低成本的设计要求, 有限 元分析为曲轴的结构优化设计提供了方便。在有限 元的基础上, 采用三维实体单元模拟曲轴结构 [ 2] 无 疑能够得到很好的精度 , 并在实践中取得了一定的 效果。但是这些研究大都集中在曲轴的静强度的计 算分析, 对于曲轴动力学的研究, 国内外已经有许多 文献介绍曲轴的模态分析和动态响应评估 [ 3] , 但是 大都局限于单一的零部件分析 , 而且考虑到采用实
第 25 卷 第 5 期 2004 年 10 月 文章编号 : 1000- 0925( 2004) 05- 051- 04
内 燃 机 工 程 Chinese Inter nal Combustion Engine Eng ineering
Vol. 25 No . 5 Oct. 2004
250095
曲轴强度计算新方法的研究
收稿日期 : 2003 12 08
体单元进行动态分析计算量的因素, 对边界条件进 行了简化 , 这不能够真实地反映工况, 所以实用性不 高[ 4] 。本文通过计算某一柴油机曲轴的强度和疲劳 安全系数 , 比较了传统曲轴强度研究的方法与基于 现代有限元( F EA) 基础上的多体动力学仿真 ( M BS) 联合计算曲轴强度的方法的优劣 , 为选择合适的曲 轴强度计算方法奠定了基础。 2 确定曲轴疲劳安全系数的传统计算方法 曲轴的应力计算包括扭转应力计算和弯曲应力 计算。扭振计算可以得到激励耦合附件驱动的发动 机自由 端的扭转角 度和轴颈 圆角处的 名义扭转 应 力。采用截断梁法或连续梁法可以计算得到轴颈圆 角处的名义弯曲应力, 通过有限元分析得到圆角应 力集中系数。
式中 , S fb 为曲轴材料的疲劳极限。 3 MBS 仿真与有限元耦合计算曲轴疲劳安全系数 传统的曲轴疲劳安全系数计算过程忽略了两个 重要的事实: 最大扭转应力和最大弯曲应力未必同 时发生; 这两个应力并不一定发生在同一局部区域。 因此 , 计算得到的应力是偏危险的( 也就是设计偏于 保守) 。由于现代发动机要求重量轻、 性能优、 成本 低, 因此必须改进传统的计算方法以提高材料的利 用率。现代的 M BS 仿真工具 , 通过在 M BS 仿真中 考虑各相互作用零件的刚度 , 从而弥补了这一缺陷 , 使实时、 实地的扭转和弯曲应力叠加成为可能。 3. 1 MBS 仿真 为准确模拟曲轴系动力特性及其对曲轴结构载 荷的影响 , 必须考虑以下四种因素: 惯性力和惯性力 矩引起的整体动态影响 ; 主要由过约束引起的主轴 承的液力影响; 包括共振在内的结构动态影响; 旋转 的整体和柔性的结构结合而产生的回转力矩引起的 非线性混合影响。 M BS 模型的受力状态即为整体动力仿真结果。 为在仿真中考虑结构的柔体特性, 通过 FEA, 在结构 耦合点处考虑局部的刚度影响, 利用结构自由度模 态缩减法得到 较为精确 的刚度矩 阵。采用 这种方 法, 曲轴的回转效应也能够考虑在内。 对滑动轴承液体动力仿真的处理一般采用三维 弹性流体动力学( 3D EHD) 方法 , 它包括了所有主轴 承的耦合效应, 及局部结构变形对油膜压力分布的 不良影响。 作为精确模型应力分析的 边界条件, 本文用于 M BS 仿真的模型包括: 柔性曲轴、 柔性机体、 刚性连 杆、 刚性活塞、 液体动力响应的主轴承、 曲轴与连杆
表 2 当量 扭振系统参数
转动惯量 kg m 2 曲轴前端 ( 无减振器 ) 第1拐 第2拐 第3拐 第4拐 第5拐 第6拐 飞轮离合器 0. 0423 2. 85 0. 0832 2. 10 0. 0536 2. 10 0. 0832 2. 12 0. 0832 2. 10 0. 0536 2. 10 0. 0854 2. 83 2. 4591 0. 0 7. 8 7. 8 7. 8 7. 8 7. 8 7. 8 扭转刚度 M N m/ rad 绝对阻尼 N m s/ rad 3. 9
图 4 连杆颈名义弯曲应力
MBS 法与 FEA 耦合计算曲轴疲劳安全系数 由于需要在多 体动力学 仿真 中考虑 油膜的 影
响, 因此首先在有限元软件中生成了机体和轴系的
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表1
各曲拐的扭转刚度和圆角应力集中系数
1、 3、 4拐 2、 5拐 1. 99 2. 38 2. 73 2. 72 2. 26 6拐 2. 15 2. 20 2. 49 2. 61 2. 18
扭转刚度 , M N m/ rad 弯曲 主轴颈 圆角应力 集中系数 连杆颈 扭转 扭转 弯曲
V=
的约束连接、 连杆与活塞的约束连接、 活塞与缸套的 约束连接、 扭振减振器刚性环、 曲轴与扭振减振器的 刚性环之间的扭振弹簧阻尼器、 对最高燃烧压力响 应及阻止模型持续加速的传动机理、 用于表示曲轴 转角与作用于活塞上气体最高燃烧压力之间关系的 气体力单元。 3. 2 MBS 结果与 FEA 的耦合 MBS 仿真结果可以传递到有限元分析模型中。 在有限元计算过程中可以考虑以下两种计算方法: ( 1) 在曲轴上截取某一关心部位的模型作为有 限元计算用模型, 并进行网格划分, 提取 MBS 仿真
( 1. Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, China; 2. FAW Jiefang Automotive Co., L td Wuxi Diesel Engine Works)
Abstract: T his paper compared t he t radit ional calculat ion met hod w ith the M BS & FEA coupling calculation
徐卫国 , 黄荣华 , 赵淼森 , 左朝凤 , 王兴光 ( 1 . 华中科技大学 , 武汉 430074; 2. 一汽解放汽车有限公司无锡柴油机分公司)
1, 2 1 2 2 2
New Calculation Method of Crankshaft Fatigue Strength
XU Wei guo1 , HUANG Rong hua1 , ZHAO Miao sen 2, ZUO Chao feng2 , WANG Xing guang2
2. 04 2. 33 2. 63 2. 69 2. 26
图 2 原轴系的有限元模型 表3 系统扭振固有频率
差异 , % 0. 5 0. 2
扭振模态 当量系统固有频率 , Hz 原轴系固有频率 , Hz 一阶频率 二阶频率 132. 4 237. 6 133 238
图 3 给出了计算得到的连杆颈名义扭转应力 , 计算结果表明在曲拐 4- 5 之间由扭振引起的扭转 应力最大。利用截断梁法 , 本文还计算了各 拐的名 义弯曲应力, 见图 4。通过比较各拐所受到的弯曲应 力和扭转应力 , 表明整个曲 轴在 1350r/ min 时 在曲 拐 4 - 5 之间 ( 第 8 曲臂 ) 存在最危险 的区域, 利用 GOODSMAN 图 , 计算得到了该区域主轴颈 圆角处
met hod on base of t he calculation of f at igue safety coef ficient of a diesel engine crankshaf t. T he calculation results indicat e t hat t he calculated results by M BS & FEA coupling calculat ion met hod agree w it h t he pract ical ones. Wit h the increase of computer resources, the new calculat ion m et hod w ould replace t he t radit ional calculation method for the precise calculat ion of crankshaft st rength. 摘要: 本文通过计算某一柴油机曲轴的疲劳安全系数 , 比较了曲轴传统计算方法和 MBS 仿真与有限元耦合计算的方法 , 计算结果表明 MBS 仿真与有限元耦合计算方法的计算结果与 实际情况更加吻合。随着计算机技术的发展, 新的计算方法将取代传统的计算方法用于曲轴 强度的精确计算 。 关键词 : 内燃机; 曲轴强度 ; 新计算方法
(
B
2 BN ) + 3 (
T
2 N)
( 1)
B
式中 ,
V 为综合应力 ; N
BN 为名义弯曲应力 ; T
为弯
曲应力集中系数 ; 力集疲劳安全系数 K S 表示为 : K S = S fb /
V
( 2)
结果, 从结果数据中获得有限元模型上边界截面处 的力或位移边界条件并施加到相应的位置上进行有 限元计算。 ( 2) 直接采用整体的曲轴作为有限元计算的模 型, 并将 MBS 的仿真结果直接施加在模型的相应位 置上 , 同时需要考虑在飞轮上施加传递扭矩 , 然后对 该有限元模型进行计算。考虑到计算时间和计算量 的因素, 利用整体曲轴模型进行有限元计算时网格 划分不能太密 , 对于关心的局部区域必须采用子结 构法重新进行精确计算 , 得到准确的应力。 基于 M BS 计算, 施加于主轴颈轴承和连杆颈轴 承上的力与飞轮上的驱动扭矩保持平衡。这一载荷 将施加于与连杆颈轴承和主轴颈轴承之间有柔性接 触关系的刚性表面上, 而系统扭矩的平衡将通过使 用耦合单元来实现。 由于在 MBS 仿真计算中能够得到发动 机在某 转速下一个周期作用力的变化 , 因此通过有限元计 算能够得到曲轴在某转速下的应力变化, 将有限元 计算的结果输入到疲劳分析软件中可以获得整个曲 轴的疲劳安全系数。 4 计算实例 本文分别采用上述两种方法对某一曲轴进行了 曲轴疲劳强度计算。 4. 1 传统方法计算曲轴疲劳安全系数 由于曲轴形状比较复杂, 采用传统的计 算方法