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前言

发动机曲轴轴系的扭转振动最终会导致曲轴轴系发生扭断故障会导致发动机的寿命降低、甚至是曲轴断裂。因此在发动机曲轴轴系的研究工作中最重要的就是对发动机曲轴轴系的扭转振动特性进行研究。随着许多有限元软件以及多体动力学仿真软件相继出现并且更趋于完善，这些软件得到广泛的运用。本文选择Solidworks软件对某款直列四缸的发动机曲轴进行三维建模，并Simulation模块对所建模型进行静应力分析。

一、曲轴的结构及受力分析

本文选取某款直列四缸发动机曲轴为研究对象，该曲轴主要由主轴颈、曲柄、平衡重、连杆轴颈、前端轴和后凸缘等组成。该款发动机的点火顺序为1-3-4-2，其气缸的缸径为80mm。当处于一缸点火的工况下，各缸的缸内压力和运行工况如表1所示。

表1 发动机各缸工况表

根据各缸的缸内压力和缸径大小，可以求得各缸通过连杆作用在连杆轴颈上力的大小，其中F1=32656N、F2=4019.2N、F3=2512N、F4=452.16N、当转速为3000r/min时，前端轴所受转矩约为T=150N.m。

二、曲轴三维模型的建立

首先需要通过Solidworks三维建模软件建立所需实体模型，然后再通过Simulation模块对模型进行有限元分析，建模结果如图1所示。

图1 发动机曲轴三维模型

三、曲轴的有限元分析

通过Simulation模块对曲轴模型进行材料属性定义、施加约束和载荷及划分网格等，具体步骤如下：

(1)发动机曲轴常用碳钢或中碳合金钢经模锻而成，本文选择34CrNiMo6作为曲轴的材料来进行分析，且假设曲轴材料组成是各向同性并且均匀的，其材料具体参数如表 2所示。

表2 曲轴材料参数表

(2)在主轴颈处添加轴承夹具，在连杆轴颈和前端轴处分别施加外部载荷，其中连杆轴颈处受力大小为理论受力分析计算所得，查阅相关资料确定前端轴处所受转矩大小，外部载荷和夹具的施加。

(3)在应用有限元分析问题时，单元的类型和网格的划分在一定程度上决定了求解问题的计算精度。采用标准网格对曲轴模型进行网格划分，其节点总数为57390个，单元总数为34297个，网格品质高。

(4)运行此算例，得到曲轴的应力、位移和应变图，如图2至图4所示。从图中可以看到最大应力处受力为140.5Mpa,远小于屈服力1000Mpa,满足强度要求。

图2 曲轴的应力图

图3曲轴的位移图 图4曲轴的应变图

通过探测可知，整个零件安全系数较低的地方出现在一缸位置的油孔、主轴颈和连杆轴颈的过渡圆角处，位移变化最大的为一缸曲拐的平衡重处，其中主轴颈处所受应力最大为140.5Mpa、油孔处应力为81.07Mpa、连杆轴颈处应力为115.1Mpa，均远低于材料的屈服强度，但考虑到实际应用中曲轴所处的恶劣工作环境，所以这几处应作为重点的强化对象进行局部淬火调质处理进行强化，以保证安全性。

本文只研究了一缸处于点火位置时的受力工况，从曲轴的结构以及布置形式来看，其它各缸的处于最大受力位置时的应力分布可由此类推得到，故在此处不需要重复计算，曲轴的静态强度存在一定的安全冗余。

四、总结

根据曲轴静应力分析结果在连杆轴颈的油孔处、主轴颈和连杆轴颈的过渡圆角处出现集中应力，可以进行局部调质处理以提高曲轴的强度，从而可以延长曲轴的工作寿命。仿真结果对本领域后续的相关研究具有一定的参考价值。