趙軍

摘要：基于虛擬樣機技術建立汽車發(fā)動機動力學仿真模型，分析了發(fā)動機曲軸的動態(tài)特性，獲得發(fā)動機曲軸工作工況的時間歷程載荷譜，結(jié)合曲軸材料疲勞特性和疲勞壽命理論計算方法對曲軸疲勞壽命進行仿真計算，結(jié)果表明在發(fā)動機生命周期內(nèi)曲軸能夠安全可靠運行，利用虛擬樣機技術對發(fā)動機曲軸的壽命進行理論驗證，提高結(jié)構(gòu)可靠性。

Abstract： Automobile engine dynamics simulation model which is based on virtual prototype technology， analyzes the dynamic characteristic of the engine crankshaft， obtain the time course of the working condition of engine crankshaft work load spectrum， combined with the theoretical calculation method of fatigue life of crankshaft material fatigue property and the simulation for the crankshaft fatigue life is calculated， the results show that in the life cycle engine crankshaft can be safe and reliable operation， using the theory of virtual prototype technology to the life of the engine crankshaft and authentication， improve the structural reliability.

關鍵詞：動力學;曲軸;可靠性;仿真技術

Key words： dynamics;the crankshaft;reliability;simulation technology

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0060-02

0? 引言

曲軸是發(fā)動機中的重要零部件，曲軸的疲勞壽命直接影響發(fā)動機的可靠性。由于曲軸設計的結(jié)構(gòu)特征復雜以及在發(fā)動機工作過程中曲軸所受載荷難以準確獲取，對曲軸結(jié)構(gòu)壽命無法準確計算。目前在工程實際計算機仿真方法是分析各種機械結(jié)構(gòu)問題的有效工具，可以分析幾何形狀較復雜的結(jié)構(gòu)、復雜的邊界條件以及各種性質(zhì)的材料在工況載荷條件下響應，能夠接近實際的反應結(jié)構(gòu)設計的合理性及其可靠性。因此本文基于虛擬樣機技術建立汽車發(fā)動機動力學仿真模型，獲取發(fā)動機曲軸工作工況的時間歷程載荷譜，結(jié)合曲軸材料疲勞特性和疲勞壽命理論計算方法對曲軸疲勞壽命進行仿真計算，驗證曲軸設計的可靠性。

1? 曲軸虛擬樣機仿真模型的建立

將三維設計模型導入動力學軟件建立動力學仿真模型，添加部件之間的運動約束和接觸，并對關鍵部件進行柔性化，建立的發(fā)動機曲軸虛擬樣機動力學仿真模型如圖1所示，仿真參數(shù)，如表1所示。

2? 發(fā)動機曲軸工作載荷

本文研究的是四缸發(fā)動機，在發(fā)動機實際運動過程中，氣缸的工作順序為1-3-4-2，各個氣缸以180度的間隔進行點火，各個氣缸的受載趨勢一樣，只是存在一定的相位差。如圖2所示為某汽車廠家通過實驗獲得的四缸發(fā)動機在曲軸不同轉(zhuǎn)角下的氣缸壓力曲線，根據(jù)曲軸工作原理可知，四缸氣缸所受的載荷數(shù)值樣，因點火工作順序的差異，所以曲軸載荷出現(xiàn)最大值時曲軸的轉(zhuǎn)動角度相差180度，虛擬樣機仿真計算時以氣缸壓力曲線作為載荷加載到4個氣缸的活塞表面。

3? 曲軸動力學特性分析

對發(fā)動機曲軸進行動力學仿真，可獲得發(fā)動機曲軸運動的位移、速度、加速度、接觸力、驅(qū)動力矩以及發(fā)動機曲軸應力、變形等信息，圖3是發(fā)動機工作過程中曲軸連桿軸頸的受力曲線，方向為垂直于連桿軸頸表面，從圖3中可知，曲軸連桿軸頸受力隨著曲軸轉(zhuǎn)動角度變化而變化，由于曲軸與連桿交接出存在一定的裝配間隙，曲軸在運動過程中運動副間會發(fā)生沖擊碰撞，導致在啟動時刻，曲軸受到了較大瞬時沖擊力。

圖4是四缸發(fā)火時曲軸的應力云圖，其最大應力值為198MPa，最大應力可作為后面疲勞壽命計算的參考[1]，根據(jù)應力仿真結(jié)果可知，曲軸轉(zhuǎn)動過程中連桿軸頸與曲柄連接處應力較大，這是曲軸工作應力集中部位，即曲軸結(jié)構(gòu)設計的疲勞壽命薄弱部位。

在進行剛?cè)狁詈蟿恿W分析后，曲軸柔性體的節(jié)點或單元上保留了所經(jīng)歷的時間載荷數(shù)據(jù)，如圖5為第一缸連桿與曲軸頸連接處節(jié)點的時間歷程載荷曲線。輸出曲軸表面所有單元節(jié)點上的時間歷程載荷數(shù)據(jù)，可進行下一步的曲軸表面疲勞壽命預測。

4? 疲勞壽命分析

利用多體動力學軟件中Durability疲勞分析模塊進行曲軸疲勞壽命分析，根據(jù)雨流計數(shù)原理[2]可獲得結(jié)構(gòu)表面所經(jīng)歷的載荷譜應力循環(huán)幅值、應力的平均值及應力的循環(huán)作用次數(shù)。如圖6所示為發(fā)動機曲軸表面的載荷雨流統(tǒng)計三維圖。并輸入曲軸材料的S-N曲線[3]，加載曲軸一個工作周期的時間歷程載荷譜，對曲軸的疲勞壽命進行仿真計算，發(fā)動機曲軸的疲勞壽命計算結(jié)果如圖7所示，曲軸表面最小疲勞壽命部位與應力仿真結(jié)果對應，位于曲軸軸頸邊緣處，其壽命的最小循環(huán)次數(shù)為1.01e10次，曲軸工作轉(zhuǎn)速按3000r/min計算，其壽命等效于33666.7小時，若發(fā)動機每天實際工作時間按8小時計，則發(fā)動機曲軸的工作壽命約為20年，理論仿真驗證結(jié)果表明發(fā)動機曲軸疲勞壽命足夠，能夠達到使用年限要求。

5? 結(jié)論

基于計算機虛擬樣機仿真技術建立發(fā)動機曲軸剛?cè)狁詈蟿恿W模型，加載發(fā)動機曲軸工作載荷對曲軸動力學特性進行仿真分析，獲得了曲軸的動態(tài)特性及受力情況，驗證了曲軸結(jié)構(gòu)薄弱部位的強度，同時基于多體動力學仿真獲取的時間歷程載荷譜及曲軸材料疲勞特性進行疲勞仿真分析，驗證了發(fā)動機曲軸的疲勞壽命，應用計算機虛擬樣機仿真方法從理論上分析曲軸設計的可靠性，提高發(fā)動機曲軸工作壽命。

參考文獻：

[1]郝志勇，林瓊，段秀兵.曲軸系統(tǒng)動力學特性的數(shù)字化仿真與試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2006，27（1）：38-40.

[2]徐敏，楊春蘭，等.基于雨流計數(shù)法的疲勞壽命預測[J].機械設計與研究，2016（5）：185-187.

[3]陳淵博，郝志勇，等.基于彎曲疲勞試驗的柴油機曲軸疲勞壽命分析及改進[J].內(nèi)燃機工程，2011（1）：75-84.