夏利轿车发动机曲轴的有限元模态分析

王洪珍

摘要：本文是以国内夏利轿车发动机曲轴为研究对象，分析了发动机曲轴零件结构特征，用UG建立曲轴的三维虚拟模型并利用ANSYS Workbench对曲轴进行了模态有限元分析。

关键词：曲轴；有限元；模态分析

汽车发动机设计是典型的机械系统设计，针对汽车发动机的现代设计技术研究具有代表性意义。曲轴性能优劣直接影响着汽车发动机的可靠性和寿命，所以利用计算机仿真技术对曲轴设计及生产有着积极的指导作用。

1、曲轴模型的建立

夏利轿车机曲轴如图1所示，该曲轴有4个主轴颈，曲轴的主要尺寸参数如下：主轴颈长度 25mm，主轴颈直径 50mm，曲柄销直径 38mm。为了避免在ANSYS Workbench 中建模的复杂性，采用 UG建成的曲轴三维实体模型。为保证能求得贴合实际的模态分析，并且在计算精度不受影响的条件下，建立曲轴的模型时需要对其结构做出合理的简化，如忽略诸如倒角、小孔等细节部分[1]。

2、有限元分析

2.1建立有限元模型

曲轴三维模型建立好之后，利用 CAE 分析软件 Ansys workbench 对曲轴进行自由模态分析。将 UG 中将建好的曲轴三维模型保存为 IGES 文件，接着导入Modal（ANSYS wokbench）的 Geometry 中。进行模态分析进行材料参数设置，设置曲轴的材料为 Structural Steel，弹性模量为 200GPa，泊松比为 0.3，密度为37850 kg/m[2]。网格划分如2所示。

2.2 约束条件建立

针对发动机实际运行情况，曲轴受到主轴承和纵向止推轴承的约束，纵向止推轴承可以有效防止曲轴的轴向窜动，保证连杆活塞组正常工作。该曲轴有 5 个主轴颈，模拟实际情况对曲轴的 5 个主轴颈分别施加无摩擦约束（Frictionless support），即轴颈表面径向的对称约束。为控制发动机在工作时曲轴的轴向窜动，在曲轴上设置有轴向定位装置[3]。但是又要保证曲轴在受热膨胀时有一定的自由伸长量，所以曲轴上只能有一处轴向定位，为模拟轴向定位约束，在曲轴后端面施加了轴向位移约束（X=0）。约束模态分析结果，频率图如图图3所示，模态分析振型图如图4所示

这里我们只分析对曲轴影响比较大的第2、5、8阶振型图，第 2 阶表现为曲轴后端不动，曲轴整体表现的沿 Z 轴方向的纵向振动，平衡块变形较大；第 5 阶的振型从动画上看比较复杂，表现为弯曲振动，耦合了纵向振动和扭转振动，前端轴的弯曲变形比较大，另外轴销有比较大的扭转振动。第8阶主要表现为第二平衡块的变形，整个曲轴表现为纵向振动

3.结论

曲轴的各阶模态，特别是在高阶的模态包含了弯振、扭振、纵振等相互耦合的振动，作用在曲柄销上的连杆力是具有宽频带激振作用的冲击力，易引起曲轴的弯振、扭振及弯扭耦合的振动。在对曲轴进行设计时，应在曲轴的模态分析基础上对其动力学性能进行优化，保证发动机获得良好的动力性能。

参考文献：

[1] 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.

[2] 李德水.小型柴油机轴系模态分析及仿真技术研究[D].四川：西南交通大学，2010.

[3] 管迪华，模态分析技术[M].北京：清华大学出版社.1996.