摘要：本文通过有限元分析软件ANSYS对发动机曲轴进行三维有限元分析，了解曲轴的变形和应力状况，校核该曲轴在交变载荷下的疲劳强度，为曲轴改进设计中的结构分析提供理论依据；较准确地得到交变载荷作用下发动机曲轴的应力、变形的大小及分布，校核其疲劳强度，对于指导曲轴的优化、改进设计具有重要意义。
关键词：曲轴；ANSYS；优化设计
Optimization design of engine crankshaft based on ANSYS
Chen yun-xin
(School of Electromechanical &Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan，430056，China)
Abstract：In this paper, three-dimensional finite element analysis was carried out on the engine crankshaft by means of the finite element analysis software ANSYS, understanding the stresses and deformation of the crankshaft, fatigue strength under cyclic loading of the crankshaft the crankshaft checking, improved analysis provides a theoretical basis for the structure design; accurately get the size and distribution of stress, deformation under the action of alternating load check the engine crankshaft, fatigue strength, has an important significance for improving design optimization, guidance of crankshaft.
Keywords：crankshaft ; ANSYS; Optimization design
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
0 引言：曲轴是内燃机中最典型，最重要的零件之一，其功能是将活塞连杆组传递来的气体压力转变为转矩，作为动力而输出做功，驱动其它工作机构，并带动内燃机辅助装置工作。曲轴在工作中承受周期性变化的气体压力，运动质量惯性力和其它力矩的共同作用，承受交变载荷，并受到扭转和纵向振动所产生的附加应力作用，易于造成疲劳破坏。同时，由于曲轴形状复杂，应力集中严重，且在应力集中处曲轴的应力分布极不均匀，易产生大小和性质不同的疲劳应力。面临上述问题，在设计阶段必须找出切实可行的手段。因此如何较准确地得到交变载荷作用下发动机曲轴的应力、变形的大小及分布，校核其疲劳强度，估算其疲劳寿命，对于指导曲轴的优化、改进设计具有重要意义。采用先进的有限元工具和合理的计算条件对发动机曲轴进行分析，是目前车用发动机生产厂家迫切需要的。
1 有限元法及ANSYS简介：有限元法（Finite Element Method，简称FEM）是一种数值离散化方法，根据变分原理求其数值解。因此适合于求解结构形状及边界条件比较复杂，材料特性不均匀等力学问题，能解决几乎所有工程领域中各种边值问题。随着电子计算机的发展，有限元分析方法已经成为疲劳强度分析和寿命预测的主要辅助工具。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
2.发动机曲轴连杆机构的组成及受力分析：曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统。曲柄连杆简图见图1。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。在做功冲程中，它将燃料燃烧产生的热能活塞往复运动、由曲轴旋转运动转变为机械能，对外输出动力；在其它冲程中，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上下运动，为下一次做功创造条件。
图1 曲柄连杆简图
3.曲轴连杆机构的主要参数
发动机 转速 2500n/min 调速率15% 连杆轴颈直径 58mm 主轴颈直径 64mm
曲柄半径R 45mm 连杆中心距L 168mm 连杆比λ R/L=0.2679
连杆质心到小头中心距L1 108mm 连杆总质量ML 1.25Kg 活塞和活塞环总质量Mjz 0.65Kg 爆发压力 12.0MPa 活塞缸直径D 70mm
轴材料的主要特性常数见表1。
表1 轴材料的主要特性常数
4. 载荷状况的确定
本文研究的发动机为四缸发动机，它的发火顺序为1—2—4—3。根据实际经验来看，曲轴在受到最大爆发压力时的应力和变形最大。这样对于四缸发动机，只需考虑 3 缸发火状况下活塞处于压缩行程终了，在上止点位置时的受力状况即可。
曲轴所受到的最大压缩载荷在膨胀冲程上止点
F气体+ F往复+ F旋转 =38940.48N
曲轴所受到的最大拉伸载荷在进气冲程开始的上止点
= F往复+ F旋转 =7217.52N
5. 分析计算
（1）建立曲轴的三维模型见图2
图2 曲轴的三维模型
（2）定义单元属性：本文选择第二类单元，10节点的solid92，此单元由十个点定义每个节点有三个自由度节点x 、y 和z 方向位移。并且单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力刚化、大变形和大张力的能力。
（3）划分网格、定义边界条件、在连杆轴颈上施加载荷、推算出第三缸爆破时各个连杆轴颈的载荷见表2；施加了载荷、约束的曲轴见图3.
表2 第三缸爆破时各个连杆轴颈的载荷
图3 施加载荷、约束的曲轴
（4）分析结果：曲轴的变形形状图见图4；
图4曲轴的变形形状图
曲轴位移分布等值线图见图5；
图5 曲轴位移分布等值线图
应变分析：最大变形位于第三连杆轴颈与曲柄的圆角过渡处，其最大值为0.534mm。
应力分析 ：应力集中部位在曲柄臂与主轴颈，曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处，这与实际情况相符合，这些地方连接处的过渡圆角，以及轴颈油孔边缘是应力集中最为严重的部位，是曲轴产生疲劳断裂最危险的部位。
强度校核：曲轴静强度安全系数校核 ， 式中 为材料的强度极限，该材料的强度极限为980MPa； 是曲轴危险部分的最大应力，根据曲轴应力分布等值线图，可得到最大应力202 MPa。所以n =4.85。 通常发动机曲轴安全系数[n] ≧2-3，所以强度安全系数在许用范围内，曲轴的强度满足要求。
曲轴疲劳强度安全系数校核
=85.25MPa， =116.75 MPa。
各个参数如下： =760.2 MPa， ， ， ，
将上述数据代入公式中得到nσ=5.32。 所以该曲轴的疲劳强度满足要求。
6 结论：通过ANSYS分析，应力集中部位在曲柄臂与主轴颈，曲柄臂与连杆轴颈的过渡圆角处，这与实际情况相符合，这些地方连接处的过渡圆角，以及轴颈油孔边缘是应力集中最为严重的部位，是曲轴产生疲劳断裂最危险的部位。曲轴最大等效应力远低于曲轴材料屈服强度,曲轴疲劳安全系数满足曲轴设计要求。
作者简介：陈云信（1972-），女，湖北天门人，江汉大学副教授，主要从事基础力学的教学与研究。
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联系地址：湖北省武汉市江汉大学机电与建筑工程学院 建筑系 力学教研室（430056）
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