发动机曲轴疲劳强度及机体噪声、振动、平顺性性能研究牢 口张应和‘ 口杨世强 ７１００２６ ７１００４８ １．西安铁路职业技术学院西安２．西安理工大学机械与精密仪器工程学院 西安摘要：发动机曲轴疲劳强度和机体噪声、振动、平顺性性能是汽车行业关注的焦点之一，直接影响 汽车的性能。对普通直列式６缸发动机的曲柄连杆机构进行建模，利用曲轴转角变化来表征应力分布随 时间的变化。并对机构的运动状态进行分析，获得曲轴容易产生疲劳的位置，进而为发动机的设计研发 提供理论依据。 关键词：发动机曲轴疲劳强度性能 文章编号：１０００—４９９８（２０１７）０６—００４５—０４ 中图分类号：ＴＨ１３３．２；ＴＫ４１３．３ ｌ文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ＮＶＨ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｂｌｏｃｋ ａｒｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈａｔ ｔｈｅｙ ｍａｙ ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｂｙ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒａｎｋ—ｌｉｎｋ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａ ｃｏｍｍｏｎ ｉｎｌｉｎｅ—ｔｙｐｅ ６－ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｅｎ￣ｎｅ，ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｄｅｇｒｅｅ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｗｈｅｒｅ ｉｔ ｗａｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ Ｒ＆Ｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎ￣ｎｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ １ 研究背景 目前，我国汽车工业迅速发展，汽车已成为一种必 不可少的交通工具。当然 任何事物的发展都具有两面 性，汽车给人们带来方便的同时．也给生活环境带来了 不良影响，如环境污染、噪声、操作振动等。越来越多的 消费者对车辆的动力、油耗、可靠性及舒适性提出了高 要求，汽车发动机的疲劳强度及噪声、振动、平顺性 （ＮＶＨ）性能问题成为汽车及相关零部件生产厂家关 注的焦点之一。引起发动机疲劳损伤与ＮＶＨ性能问 题的重要因素与源头是发动机的曲轴，曲轴是发动机 中最主要的运动部件之一。发动机的可靠性和使用寿 命很大程度上取决于曲轴的疲劳强度…。曲轴对外输 析法对发动机曲轴疲劳强度及机体ＮＶＨ性能进行分 析，能够获得精确的分析结果．为发动机前期开发设计 提供理论基础，具有重要意义。 ２曲轴疲劳强度分析 ２．１ 分析方法 通常情况下，机械结构８０％～９０％的破坏是由材料 疲劳损伤引起的，为了使机械机构具有高强度和安全 性，机械的疲劳损伤已经成为国内外科学技术人员关 注与研究的方向。 目前，最常用的发动机曲轴疲劳强度分析方法有 两种：一是利用有限元软件对单一曲轴进行实体建模． 然后进行静态受力分析（图１）；二是对曲轴受到最大 出扭矩，在恶劣工况条件下承受着非常复杂的冲击交 变载荷，是发动机开发设计的难点。笔者以普通直列式 ６缸发动机的曲柄连杆机构为研究对象．应用ＡＮＳＹＳ 三维实体建模软件建立发动机曲柄的质量一梁模型， 利用曲轴转角的变化来显示曲轴随时间变化的应力分 布，并对机构的运动状态进行理论分析．获得发动机曲 轴容易发生疲劳的位置。结果表明，基于非线性动态分 国家自然科学基金资助项目（编号：５１４７５３６５） 负荷时的应力分布进行分析（图２）。笔者主要采用非 线性动态分析法，考虑曲轴随时间变化的应力分布，建 立曲柄连杆机构的质量一梁模型，进而研究疲劳强度 对曲轴及连杆机构的影响Ｉ２］。 ２．２非线性动态分析 为了提高曲轴疲劳强度分析的精准程度，笔者采 用非线性动态分析法，对在受阻尼和激振力动态作用 下的曲轴进行分析，这样能够正确反映曲轴的非线性 收稿日期：２０１６年ｌ２月 动态变化和受到发动机工作时燃气载荷作用下的疲劳 机械制造５５卷第６３４期 ２０１７／６国 耍 量 鬯 照 茎 耋 叁 萋 鸯 荩 暑 ▲图ｌ 曲轴实体单元模型 蹑ｌ三Ｉ翊剿 霎墨 酗叁 ｉ＿Ｉｉ ＿ 堂 ！‘ ＿ ●＿ｌ 一童圈 一● 量 璧盎 盛 Ｉ一 ・—圈■臣舅疆啊 ： ．． 量曩圈曩翻ｂ＿誓疆圈＿叠 ●Ｉ 瞄ｌ － ！ 一 ＋ Ｉ髓 匿 ｜． 。 ＿＿ ■陆 ＿■ｌ 一 － ．．－■Ｉｒ ．ＩＩｌ ｌ Ｉ。蛐 ▲图２ 曲轴受最大负荷时应力分布 强度。曲轴疲劳强度非线性动态分析流程如图３所示。 ２．２．１ 曲轴建模 曲轴主要包含曲拐、平衡重、油孔、油道及细小倒 角等复杂结构。对曲轴进行有限元分析时，由于复杂形 状结构特点会给网格划分带来困难，而且会影响网格 质量．大幅增加计算工作量，因此在不影响曲轴系统动 力学特性的前提下，进行适当的简化。 笔者以二维曲轴的模型展示三维效果，利用曲轴 的质量一梁模型进行非线性动态分析，如图４所示。这 种方法可以自动生成曲轴的最重要参数，如气缸到曲 轴的距离、活塞销直径等。当然，在分析时还需考虑活 塞、连杆和飞轮等的大量阻尼振动及刚度。 应用曲轴的质量一梁模型可以模拟曲轴的实际三 维运动状态，特别是纵向振动、弯曲和扭转振动等自然 振动模式。还可以和曲轴实体单元模型进行比较。曲轴 质量一梁模型与实体单元模型相关性能比较的自然振 动模式如图５所示。 ２．２．２ 曲轴疲劳强度分析 范围内曲轴的运动状态进行非线性动力学分析，利用 发动机曲轴的质量一梁模型进行压力测定，即曲轴随时 间变化的载荷向量。曲轴梁的弯曲和扭转力矩是确 定曲轴疲劳状态的第一步，此外尽可能在发动机速度 范围内进行载荷向量的基本评定Ｉ４］。 利用曲轴质量一梁模型上曲轴随时间变化的位移 曲轴是发动机中最重要、承载最复杂的运动件之 一．对曲轴的疲劳强度分析一直受到设计者的重视。随 量来计算实体单元曲轴随时间变化的应力张量ｌ５］。通 过曲轴转角的变化来显示曲轴随时间变化的应力分 布，如图６所示。 着计算机技术的不断进步和研究者们的不懈努力，曲 轴研究已取得很大进展 。笔者针对整个发动机转速 ２０ｌ７／６ 机械制造５５卷第６３４期 ３．１ 发动机振动分析 通常情况下，发动机和其它部件的基本运动状态 通过有限元法计算来实现。通过有限元法可以分析简 谐振动对发动机的影响，并能够对振动现象进行解释 分析。振动分析通常在频率范围内进行，并且用传递函 数来确定 。笔者以常规振荡范围的频率和传递函数 来分析发动机在正常工作时受到发动机燃气作用而产 生的振动状态，从而找出发动机机体容易产生振动的 部位。 ３－２发动机噪声分析 通过数据和其它信息一同确定疲劳强度容易产生 的部位，并利用曲轴的质量一梁模型。在整个发动机允 许速度范围内确定曲轴的安全因数。最终的疲劳强度 线性噪声分析可以实现对发动机基本动态特性的 分析，但许多自然振动效应和激励机制无法用这一方 法进行分析。因此笔者采用非线性噪声分析。这种分析 方法能够研究发动机在实际运转时各个部件旋转所产 生的动态效应 。笔者分析了活塞与气缸套间的作用 力，以及发动机旋转时活塞所承受的冲击力，如图８、 图９所示。由图８、图９得到发动机容易产生噪声的部 分析通过ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ一体化疲劳设计软件来完成。 这一软件的分析结果表明。安全因数在转速３００ ｒ／ｍｉｎ 时最小，由飞轮在发动机允许转度范围内的共振效应 所导致，如图７所示。图６分析结果显示。曲轴容易产 生疲劳的位置靠近飞轮，因此建议设计飞轮时一定要 注意避免引起曲轴疲劳损伤［ｅｌ。 位，从而可进一步改善发动机机体结构。 ３．３机体结构分析 ３机体ＮＶＨ性能分析 发动机自身的ＮＶＨ性能直接影响到汽车的ＮＶＨ 对正常工作下的发动机进行振动分析和非线性噪 声分析，利用发动机曲轴运动时的扭振激励特性与发 动机机体动态特性之间的耦合关系，对机体结构进行 修改，发现修改后的机体结构在消除振荡和噪声方面 效果明显，如图ｌ０、图ｌｌ所示。由图ｌ０和图ｌ ｌ可知． 性能，ＮＶＨ同时也是衡量发动机制造质量的综合性指 标。 振动与噪声水平是衡量整车乘坐舒适性的关键指 标，如何在整车开发过程中发现噪声源并尽可能抑制 噪声源，以及如何诊断整车在使用过程中的异响和振 修改前机体只是局部承受扭振，而修改后机体是整体 承受发动机工作时的扭振。通过研究，可以在发动机加 工过程中预测可能产生的缺陷，及时采取措施，使工艺 设计由经验判断走向定量分析，从而控制和保证发动 机机体的质量 ｌ０］。 动来源是长期困扰各大汽车制造厂商的难题 。笔者 主要利用发动机受力状态与有限元相结合的方法，分 析曲轴系的扭振激励特性与发动机机体动态特性之间 的耦合关系，从而找到机体降振乃至降低整机噪声的 有效途径。根据仿真分析的结果，修改一款合适的扭振 机体结构，通过发动机振动与噪声测试，验证研究的有 效性。 ４结束语 以曲轴的疲劳强度为研究对象，主要利用曲轴质 量一梁模型对疲劳强度进行了分析，在发动机速度范围 内进行载荷向量的基本评定，通过曲轴转角的变化来 机械制造５５卷第６３４期 ２０１７／６ 显示曲轴随时间变化的应力分布。 基于正常发动机工作时的振动及产生的噪声，对 发动机ＮＶＨ性能进行了分析，利用发动机受力状态与 ［４］ 王娟，李同杰，孙启国．四缸内燃机曲轴系统扭转自由振动 分析［Ｊ］．机械制造，２００７，４５（４）：２９—３０． ［５］ 王才峄，张懿．内燃机曲轴停缸扭振特性多体动力学分 析［Ｊ］．机械制造，２０１１，４９（１）：３４—３６． 有限元相结合的方法，分析曲轴系的扭振激励特性与 发动机机体动态特性之间的耦合关系，从而找到优化 机体结构乃至降低整机噪声的有效途径。 通过上述分析研究，虽然确定了曲轴容易产生疲 ［６］周传月，郑红霞，罗慧强．ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ疲劳分析应用与实 例［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５． ［７］张朝辉，盛仁斌，沈磊，等．发动机ＮＶＨ测试与诊断［Ｊ］．柴 油机设计与制造，２０１４，２０（３）：２６—３０，３４． ［８］ 姚东伟。王培先．ＨＣＲ８０Ｋ振动冲击夯的技术创新研究与 设计［Ｊ］．机械制造，２０１２，５０（３）：１９—２１． 劳损伤的位置．但是对曲轴随时间变化的应力张量的 计算还没有完成．疲劳损伤防止措施也有待进一步改 进。此外，在对机体ＮＶＨ性能分析时没有找到平顺性 问题相应的解决措施。因此还要在不足方面进一步改 善和提高。 ［９］ ＦＡＲＯＯＱＵＩ Ｍ Ｎ，ＷＡＧＬＥ Ｃ Ｓ．Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｐｈｙｓｉｃａｌ 参考文献 ［１］ 胡伟勇，翟昕．４９５Ｂ增压柴油机曲轴疲劳可靠性预测［Ｊ］． 车用发动机，２０ｏ５（４）：５９—６１． 『２］ ＣＡＬＡＢＲＥＴ１１Ａ Ｍ。ＣＡＣＣＩＡＴＯＲＥ Ｄ，ＣＡＲＤＥＮ Ｐ，ｅｔ ａ１． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｈａｉｎ Ｄｒｉｖｅ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１１， ｌ１ｏ＿ｌｌ ６：２５８５－２５８９． ［１０］田树民，纪有君，倪红军，等．内燃机气缸盖加工生产线的 研究［Ｊ］．机械制造，２０１０，４８（７）：８４—８６． 作者简介： △ Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｓ， ２０ｌ１，４（１）：４３２— Ｏ． 张应和（１９８ 一），男，讲师，主要研究方向为机电一体化；杨 世强（１９７３一），男，副教授，主要研究方向为机械设计制造及其 自动化、工业工程。 （编辑 平 平） ［３］ 姚海南．发动机曲轴疲劳强度的三维有限元分析［Ｊ］．上海 第二工业大学学报，２００９，２６（２）：ｌ １９—１２２． ２０１７／６ 机械制造５５卷第６３４期
