三维有限元法分析结构因素对曲轴弯曲强度的影响

    1.前言

    曲轴的尺寸参数在很大程度上不仅影响发动机的整体尺寸和质量，而且在很大程度上影响发动机的可靠性与寿命。随着内燃机的强化与发展，曲轴的工作条件更加苛刻，因此曲轴的强度与刚度问题变得更加严重。

    曲轴应力的计算是进行强度及可靠度分析的前提。而曲轴应力集中的位置主要处于曲柄至轴颈的圆角过渡区，因此有必要针对圆角过渡区的应力进行分析。由于曲轴是空间结构，用三维有限元模型分析最为理想。这里应用三维有限元法，定量地分析计算了曲轴主要结构尺寸因素，如过渡圆角半径、轴颈重叠度等对曲轴强度的影响。

    2.曲轴三维有限元计算模型

    某柴油机曲轴主要参数:转速;2200r/min;主轴颈直径:75mm;连杆颈直径:65mm;主轴颈圆角半径:Smm;连杆颈圆角半径;Smm;曲柄厚度:23 mm。

    2. 1有限元计算模型

    根据曲轴的各单拐具有几何相同的特点，取其1/4作为有限元计算的模型。计算采用白行开发的曲轴三维有限元分析系统，其前处理模块能对曲轴进行白动网格剖分，其后处理模块能白动输出计算报告

    图1是按1 /4曲轴建模、采用8节点单元的有限元网格图。其中六面体单元186个，五面体单元60个，节点总数为1722个。

    2. 2载荷边界条件

    选择发动机额定工况卜的气体爆发压力为最大压力工况X61. 5 8 L}N}额定转速h的惯性力为最大拉力工况}7. 143 LAN)载荷作用在连杆颈上沿轴径周向在1200范围内按余弦规律分布，沿轴径轴线线性分布。

    2. 3约束条件

    为消除刚体位移对计算结果的影响，再根据曲拐的对称性，令连杆颈对称面(图1中AB面)上所有节点X方向位移为零，图1中A点处的y,方向位称为零。

    3轴颈过渡圆角半径对曲轴弯曲强度的影响

    曲轴最大应力位于过渡圆角处，因此分析该处的强度够与否，就可判断曲轴安全与否。图2、图3分别是连杆颈与主轴颈圆角应力分布图。可见，最大应力均发生在圆角45。左右处。分别为232. 3Mpa、一214. 6Mpao(负号表示压应力)

    增加过渡圆角半径会减小圆角部位的应力集中效应，也可提高该处的加工精度，从而使得该部位应力峰值卜降。从这种意义上讲，过渡圆角半径越大越好，但是过渡圆角半径增大，会导致轴颈承压长度缩短，因此并不是过渡圆角半径越大越好。图4显示了曲轴过渡圆角半径与圆角最大应力值之间的关系。

    曲轴的安全性用安全系数来表示。运用三维有限元进行强度计算，安全系数在1. 25以上即认为是安全的[2]。本算例杆颈与主轴颈处的安全系数分别为:1. 536,1. 517 a