王洪珍

摘要：本文是以國(guó)內(nèi)夏利轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸為研究對(duì)象，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸零件結(jié)構(gòu)特征，用UG建立曲軸的三維虛擬模型并利用ANSYS Workbench對(duì)曲軸進(jìn)行了模態(tài)有限元分析。

關(guān)鍵詞：曲軸；有限元；模態(tài)分析

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是典型的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)研究具有代表性意義。曲軸性能優(yōu)劣直接影響著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命，所以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)曲軸設(shè)計(jì)及生產(chǎn)有著積極的指導(dǎo)作用。

1、曲軸模型的建立

夏利轎車機(jī)曲軸如圖1所示，該曲軸有4個(gè)主軸頸，曲軸的主要尺寸參數(shù)如下：主軸頸長(zhǎng)度 25mm，主軸頸直徑 50mm，曲柄銷直徑 38mm。為了避免在ANSYS Workbench 中建模的復(fù)雜性，采用 UG建成的曲軸三維實(shí)體模型。為保證能求得貼合實(shí)際的模態(tài)分析，并且在計(jì)算精度不受影響的條件下，建立曲軸的模型時(shí)需要對(duì)其結(jié)構(gòu)做出合理的簡(jiǎn)化，如忽略諸如倒角、小孔等細(xì)節(jié)部分[1]。

2、有限元分析

2.1建立有限元模型

曲軸三維模型建立好之后，利用 CAE 分析軟件 Ansys workbench 對(duì)曲軸進(jìn)行自由模態(tài)分析。將 UG 中將建好的曲軸三維模型保存為 IGES 文件，接著導(dǎo)入Modal（ANSYS wokbench）的 Geometry 中。進(jìn)行模態(tài)分析進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置，設(shè)置曲軸的材料為 Structural Steel，彈性模量為 200GPa，泊松比為 0.3，密度為37850 kg/m[2]。網(wǎng)格劃分如2所示。

2.2 約束條件建立

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，曲軸受到主軸承和縱向止推軸承的約束，縱向止推軸承可以有效防止曲軸的軸向竄動(dòng)，保證連桿活塞組正常工作。該曲軸有 5 個(gè)主軸頸，模擬實(shí)際情況對(duì)曲軸的 5 個(gè)主軸頸分別施加無摩擦約束（Frictionless support），即軸頸表面徑向的對(duì)稱約束。為控制發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)曲軸的軸向竄動(dòng)，在曲軸上設(shè)置有軸向定位裝置[3]。但是又要保證曲軸在受熱膨脹時(shí)有一定的自由伸長(zhǎng)量，所以曲軸上只能有一處軸向定位，為模擬軸向定位約束，在曲軸后端面施加了軸向位移約束（X=0）。約束模態(tài)分析結(jié)果，頻率圖如圖圖3所示，模態(tài)分析振型圖如圖4所示

這里我們只分析對(duì)曲軸影響比較大的第2、5、8階振型圖，第 2 階表現(xiàn)為曲軸后端不動(dòng)，曲軸整體表現(xiàn)的沿 Z 軸方向的縱向振動(dòng)，平衡塊變形較大；第 5 階的振型從動(dòng)畫上看比較復(fù)雜，表現(xiàn)為彎曲振動(dòng)，耦合了縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，前端軸的彎曲變形比較大，另外軸銷有比較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。第8階主要表現(xiàn)為第二平衡塊的變形，整個(gè)曲軸表現(xiàn)為縱向振動(dòng)

3.結(jié)論

曲軸的各階模態(tài)，特別是在高階的模態(tài)包含了彎振、扭振、縱振等相互耦合的振動(dòng)，作用在曲柄銷上的連桿力是具有寬頻帶激振作用的沖擊力，易引起曲軸的彎振、扭振及彎扭耦合的振動(dòng)。在對(duì)曲軸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在曲軸的模態(tài)分析基礎(chǔ)上對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化，保證發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好的動(dòng)力性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[2] 李德水.小型柴油機(jī)軸系模態(tài)分析及仿真技術(shù)研究[D].四川：西南交通大學(xué)，2010.

[3] 管迪華，模態(tài)分析技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社.1996.