鲁国庆

摘要：针对给定的某款六缸柴油机曲轴，采用有限元法对其在弯矩载荷作用下的应力状态进行分析，在此基础上结合正交试验设计，分析一些主要的结构参数对曲轴弯曲疲劳强度的影响。研究结果表明，曲轴的主要结构参数中，过度圆角的半径值对曲轴的结构疲劳特性影响最大，其次为曲柄的厚度，最后则是重叠度。通过该研究，为曲轴的结构抗疲劳设计提供一定的理论依据与指导。

关键词：柴油机曲轴;ABAQUS有限元分析;正交试验设计

0  引言

曲轴是发动机的重要零部件之一，在工作过程中将连杆传递来的弯矩转化为转矩，并传递给传动系统驱动整车的工作，因此对其往往具有较高的强度要求[1]。

在实际工程应用当中，受限于发动机的制造成本，一般曲轴的零部件材料都是比较固定的（通常球墨铸铁或者调质钢）;同时由于发动机燃油经济性以及动力性的设计要求，发动机零部件在实际工作过程中所承受的载荷也是固定的。因此在对曲轴等零部件进行结构抗疲劳设计时，研究的重点往往就在于如何合理地设计零部件的结构参数，以尽可能地提高零部件的疲劳强度。本文针对给定的六缸柴油机曲轴，采用有限元法对其在弯矩载荷作用下的应力状态进行分析，在此基础上采用正交试验设计法，分析主要结构参数对曲轴疲劳强度的影响，为曲轴的结构抗疲劳设计提供一定的指导。

1  曲轴几何模型的建立

现有研究表明，对于大部分的曲轴，弯矩载荷对其疲劳失效有着决定性的影响，85%以上的曲轴都是因为弯矩载荷的作用而导致疲劳失效，而扭转载荷仅占据次要的地位同时由发动机自身工作的均匀性可知，对于多缸机曲轴，各缸在额定工况下各缸的爆发压力基本一致，同时各个单拐的结构参数也是一致的，因此往往认为各曲拐所承受的弯矩也是一致的。基于此理论基础，通过对某一曲拐进行疲劳研究，就可以对整轴的弯曲疲劳特性做出评价[2]。

本文研究对象为给定的某型号的六缸柴油机的曲轴，采用三维CAD建模软件CATIA进行逆向设计，建立该曲轴的三维几何模型，建模过程中忽略掉倒角、凸台等一些对曲轴弯曲疲劳特性影响不大的微觀结构，所建三维几何模型如图1所示。

2  曲轴有限元分析

2.1 曲轴有限元模型的建立

本文中，曲轴的材料为42CrMo钢，其材料属性参数如表1所示。采用hypermesh软件对曲轴的单拐模型进行网格的划分，其中圆角等应力集中区域内网格加密细化，所划的网格模型如图2所示。

如图3所示，由圣维南原理可知，在进行曲轴在弯矩载荷作用下的有限元分析时，可以将弯矩载荷施加在单拐的左截面，同时约束住右截面所有节点的自由度[3]。

2.2 有限元分析结果分析

基于上述有限元模型，对曲轴在额定工况下的应力状态进行分析，结果如图4所示。当曲轴在弯矩载荷作用下时，Von Mises应力的最大值出现在曲柄销圆角部位，其值为272MPa，这也是曲轴最容易产生疲劳破坏的位置。

3  曲轴正交试验设计及分析

曲轴单拐模型中，主要结构参数包括主轴颈半径，连杆颈半径，过渡圆角半径，曲柄厚度以及重叠度。这其中连杆颈和主轴颈需要分别与连杆以及机体进行装配，结构尺寸改动受到一定的限制，因此本文主要选择对其余几项参数进行分析，采用正交试验法设计不同结构尺寸的曲轴单拐模型[4]，并采用同样的有限元法对该模型在额定载荷工况下的的应力值进行分析，结果如表2所示。

如表2所示，本文采取的是L9（34）正交表进行分析，采用极差分析法对表2中的试验结果进行分析，可得过度圆角半径、重叠度以及曲柄厚度这三项因素导致的极差值分别为149MPa，75MPa以及31MPa，因此相关结构参数中，过渡圆角半径对曲轴的疲劳强度影响最大，在可以针对性其进行改进以增强曲轴的疲劳强度。

4  结论

采用有限元法结合正交试验设计，对某款六缸柴油机的曲轴进行数值仿真，分析其主要结构参数对疲劳强度的影响。研究结果表明过度圆角半径对曲轴的弯曲疲劳特性有较大的影响，因此在结构抗疲劳设计时可以有针对性的改进。

参考文献：

[1]CHEN Xiao-ping， YU Xiao-li， JI Bing-wei. Study of crankshaft strength based on Insight platform and DOE methods. 2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation， 2010， 3， 548-551.

[2]孙嵩松.钢曲轴结构疲劳特性预测方法研究[D].浙江大学，2017.

[3]孙嵩松，万茂松，王慧.基于改进多轴疲劳模型的曲轴疲劳研究[J].机电工程，2019（08）：797-802.

[4]《正交试验法》编写组.正交试验法[M].北京：国防工业出版社，1976.

[5]郑昊天，董飞莹，顾俊杰，吴亚龙，孙思玥.某型柴油机曲轴系强度分析[J].内燃机与配件，2019（14）：49-52.