基于虚拟样机技术的发动机曲轴疲劳寿命分析

赵军

摘要：基于虚拟样机技术建立汽车发动机动力学仿真模型，分析了发动机曲轴的动态特性，获得发动机曲轴工作工况的时间历程载荷谱，结合曲轴材料疲劳特性和疲劳寿命理论计算方法对曲轴疲劳寿命进行仿真计算，结果表明在发动机生命周期内曲轴能够安全可靠运行，利用虚拟样机技术对发动机曲轴的寿命进行理论验证，提高结构可靠性。

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.

關键词：动力学;曲轴;可靠性;仿真技术

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

中图分类号：U464                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0060-02

0  引言

曲轴是发动机中的重要零部件，曲轴的疲劳寿命直接影响发动机的可靠性。由于曲轴设计的结构特征复杂以及在发动机工作过程中曲轴所受载荷难以准确获取，对曲轴结构寿命无法准确计算。目前在工程实际计算机仿真方法是分析各种机械结构问题的有效工具，可以分析几何形状较复杂的结构、复杂的边界条件以及各种性质的材料在工况载荷条件下响应，能够接近实际的反应结构设计的合理性及其可靠性。因此本文基于虚拟样机技术建立汽车发动机动力学仿真模型，获取发动机曲轴工作工况的时间历程载荷谱，结合曲轴材料疲劳特性和疲劳寿命理论计算方法对曲轴疲劳寿命进行仿真计算，验证曲轴设计的可靠性。

1  曲轴虚拟样机仿真模型的建立

将三维设计模型导入动力学软件建立动力学仿真模型，添加部件之间的运动约束和接触，并对关键部件进行柔性化，建立的发动机曲轴虚拟样机动力学仿真模型如图1所示，仿真参数，如表1所示。

2  发动机曲轴工作载荷

本文研究的是四缸发动机，在发动机实际运动过程中，气缸的工作顺序为1-3-4-2，各个气缸以180度的间隔进行点火，各个气缸的受载趋势一样，只是存在一定的相位差。如图2所示为某汽车厂家通过实验获得的四缸发动机在曲轴不同转角下的气缸压力曲线，根据曲轴工作原理可知，四缸气缸所受的载荷数值样，因点火工作顺序的差异，所以曲轴载荷出现最大值时曲轴的转动角度相差180度，虚拟样机仿真计算时以气缸压力曲线作为载荷加载到4个气缸的活塞表面。

3  曲轴动力学特性分析

对发动机曲轴进行动力学仿真，可获得发动机曲轴运动的位移、速度、加速度、接触力、驱动力矩以及发动机曲轴应力、变形等信息，图3是发动机工作过程中曲轴连杆轴颈的受力曲线，方向为垂直于连杆轴颈表面，从图3中可知，曲轴连杆轴颈受力随着曲轴转动角度变化而变化，由于曲轴与连杆交接出存在一定的装配间隙，曲轴在运动过程中运动副间会发生冲击碰撞，导致在启动时刻，曲轴受到了较大瞬时冲击力。

图4是四缸发火时曲轴的应力云图，其最大应力值为198MPa，最大应力可作为后面疲劳寿命计算的参考[1]，根据应力仿真结果可知，曲轴转动过程中连杆轴颈与曲柄连接处应力较大，这是曲轴工作应力集中部位，即曲轴结构设计的疲劳寿命薄弱部位。

在进行刚柔耦合动力学分析后，曲轴柔性体的节点或单元上保留了所经历的时间载荷数据，如图5为第一缸连杆与曲轴颈连接处节点的时间历程载荷曲线。输出曲轴表面所有单元节点上的时间历程载荷数据，可进行下一步的曲轴表面疲劳寿命预测。

4  疲劳寿命分析

利用多体动力学软件中Durability疲劳分析模块进行曲轴疲劳寿命分析，根据雨流计数原理[2]可获得结构表面所经历的载荷谱应力循环幅值、应力的平均值及应力的循环作用次数。如图6所示为发动机曲轴表面的载荷雨流统计三维图。并输入曲轴材料的S-N曲线[3]，加载曲轴一个工作周期的时间历程载荷谱，对曲轴的疲劳寿命进行仿真计算，发动机曲轴的疲劳寿命计算结果如图7所示，曲轴表面最小疲劳寿命部位与应力仿真结果对应，位于曲轴轴颈边缘处，其寿命的最小循环次数为1.01e10次，曲轴工作转速按3000r/min计算，其寿命等效于33666.7小时，若发动机每天实际工作时间按8小时计，则发动机曲轴的工作寿命约为20年，理论仿真验证结果表明发动机曲轴疲劳寿命足够，能够达到使用年限要求。

5  结论

基于计算机虚拟样机仿真技术建立发动机曲轴刚柔耦合动力学模型，加载发动机曲轴工作载荷对曲轴动力学特性进行仿真分析，获得了曲轴的动态特性及受力情况，验证了曲轴结构薄弱部位的强度，同时基于多体动力学仿真获取的时间历程载荷谱及曲轴材料疲劳特性进行疲劳仿真分析，验证了发动机曲轴的疲劳寿命，应用计算机虚拟样机仿真方法从理论上分析曲轴设计的可靠性，提高发动机曲轴工作寿命。

参考文献：

[1]郝志勇，林琼，段秀兵.曲轴系统动力学特性的数字化仿真与试验研究[J].内燃机工程，2006，27（1）：38-40.

[2]徐敏，杨春兰，等.基于雨流计数法的疲劳寿命预测[J].机械设计与研究，2016（5）：185-187.

[3]陈渊博，郝志勇，等.基于弯曲疲劳试验的柴油机曲轴疲劳寿命分析及改进[J].内燃机工程，2011（1）：75-84.