某曲軸結(jié)構(gòu)參數(shù)疲勞特性影響研究

魯國(guó)慶

摘要：針對(duì)給定的某款六缸柴油機(jī)曲軸，采用有限元法對(duì)其在彎矩載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析一些主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，曲軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)中，過(guò)度圓角的半徑值對(duì)曲軸的結(jié)構(gòu)疲勞特性影響最大，其次為曲柄的厚度，最后則是重疊度。通過(guò)該研究，為曲軸的結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)曲軸;ABAQUS有限元分析;正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

0? 引言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一，在工作過(guò)程中將連桿傳遞來(lái)的彎矩轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩，并傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)整車(chē)的工作，因此對(duì)其往往具有較高的強(qiáng)度要求[1]。

在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，受限于發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本，一般曲軸的零部件材料都是比較固定的（通常球墨鑄鐵或者調(diào)質(zhì)鋼）;同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性的設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在實(shí)際工作過(guò)程中所承受的載荷也是固定的。因此在對(duì)曲軸等零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，研究的重點(diǎn)往往就在于如何合理地設(shè)計(jì)零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以盡可能地提高零部件的疲勞強(qiáng)度。本文針對(duì)給定的六缸柴油機(jī)曲軸，采用有限元法對(duì)其在彎矩載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影響，為曲軸的結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1? 曲軸幾何模型的建立

現(xiàn)有研究表明，對(duì)于大部分的曲軸，彎矩載荷對(duì)其疲勞失效有著決定性的影響，85%以上的曲軸都是因?yàn)閺澗剌d荷的作用而導(dǎo)致疲勞失效，而扭轉(zhuǎn)載荷僅占據(jù)次要的地位同時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)自身工作的均勻性可知，對(duì)于多缸機(jī)曲軸，各缸在額定工況下各缸的爆發(fā)壓力基本一致，同時(shí)各個(gè)單拐的結(jié)構(gòu)參數(shù)也是一致的，因此往往認(rèn)為各曲拐所承受的彎矩也是一致的。基于此理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)某一曲拐進(jìn)行疲勞研究，就可以對(duì)整軸的彎曲疲勞特性做出評(píng)價(jià)[2]。

本文研究對(duì)象為給定的某型號(hào)的六缸柴油機(jī)的曲軸，采用三維CAD建模軟件CATIA進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，建立該曲軸的三維幾何模型，建模過(guò)程中忽略掉倒角、凸臺(tái)等一些對(duì)曲軸彎曲疲勞特性影響不大的微觀結(jié)構(gòu)，所建三維幾何模型如圖1所示。

2? 曲軸有限元分析

2.1 曲軸有限元模型的建立

本文中，曲軸的材料為42CrMo鋼，其材料屬性參數(shù)如表1所示。采用hypermesh軟件對(duì)曲軸的單拐模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，其中圓角等應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格加密細(xì)化，所劃的網(wǎng)格模型如圖2所示。

如圖3所示，由圣維南原理可知，在進(jìn)行曲軸在彎矩載荷作用下的有限元分析時(shí)，可以將彎矩載荷施加在單拐的左截面，同時(shí)約束住右截面所有節(jié)點(diǎn)的自由度[3]。

2.2 有限元分析結(jié)果分析

基于上述有限元模型，對(duì)曲軸在額定工況下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)曲軸在彎矩載荷作用下時(shí)，Von Mises應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在曲柄銷(xiāo)圓角部位，其值為272MPa，這也是曲軸最容易產(chǎn)生疲勞破壞的位置。

3? 曲軸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

曲軸單拐模型中，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括主軸頸半徑，連桿頸半徑，過(guò)渡圓角半徑，曲柄厚度以及重疊度。這其中連桿頸和主軸頸需要分別與連桿以及機(jī)體進(jìn)行裝配，結(jié)構(gòu)尺寸改動(dòng)受到一定的限制，因此本文主要選擇對(duì)其余幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的曲軸單拐模型[4]，并采用同樣的有限元法對(duì)該模型在額定載荷工況下的的應(yīng)力值進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

如表2所示，本文采取的是L9（34）正交表進(jìn)行分析，采用極差分析法對(duì)表2中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得過(guò)度圓角半徑、重疊度以及曲柄厚度這三項(xiàng)因素導(dǎo)致的極差值分別為149MPa，75MPa以及31MPa，因此相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)中，過(guò)渡圓角半徑對(duì)曲軸的疲勞強(qiáng)度影響最大，在可以針對(duì)性其進(jìn)行改進(jìn)以增強(qiáng)曲軸的疲勞強(qiáng)度。

4? 結(jié)論

采用有限元法結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)某款六缸柴油機(jī)的曲軸進(jìn)行數(shù)值仿真，分析其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明過(guò)度圓角半徑對(duì)曲軸的彎曲疲勞特性有較大的影響，因此在結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)可以有針對(duì)性的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[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]孫嵩松.鋼曲軸結(jié)構(gòu)疲勞特性預(yù)測(cè)方法研究[D].浙江大學(xué)，2017.

[3]孫嵩松，萬(wàn)茂松，王慧.基于改進(jìn)多軸疲勞模型的曲軸疲勞研究[J].機(jī)電工程，2019（08）：797-802.

[4]《正交試驗(yàn)法》編寫(xiě)組.正交試驗(yàn)法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1976.

[5]鄭昊天，董飛瑩，顧俊杰，吳亞龍，孫思玥.某型柴油機(jī)曲軸系強(qiáng)度分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（14）：49-52.