汽车发动机曲轴有限元分析及优化设计

本项目采用ANSYS有限元分析方法对某汽车发动机曲轴进行分析。以某直列四缸柴油机曲轴为研究对象，运用三维建模软件及仿真分析软件对其进行结构分析。在进行静力分析和模态分析的仿真分析过程中，得到曲轴的应力最大值、变形最大值和固有频率。最后根据分析结果，优化曲轴应力应变位置，降低最大应变和应力，对曲轴参数进行了重新设计和优化。结果表明，通过有限元分析和优化设计，曲轴的最大变形量减小了0.046351 mm，降幅为7.67%，最大应力减小了9.33 Mpa，降幅为6.31%。可以看出，优化设计后的曲轴的强度得到了一定程度的增强，并具有可靠的功能和较长疲劳寿命的功能，从而达到曲轴优化的目的。

在动力学分析中，曲轴是发动机的重要组成部分。当施加周期性动态载荷时，会产生共振。所产生的应变力是静载荷的数倍，它对发动机的运行状况有很大的影响。曲轴毫无疑问是发动机中不可缺少的部件。因此曲轴设计的合理与否，有时候影响到发动机的工作运行稳定性，还会影响着发动机的工作寿命和工作稳定性。由于一般静力学设计不能反映设计要求，动力学设计起着非常重要的作用。对曲轴进行动力学设计和分析，以满足其强度的优化设计要求。除了强度需要满足设计要求之外，曲轴的振动特性也是在曲轴设计时必须关注的问题。因此在设计曲轴时，为了避免出现共振现象，必须进行曲轴模态分析，得到曲轴固有频率，只要激励频率超过固有频率的40%，就可以避免共振或在隔振中起作用，保证曲轴在发动机运行时的可靠性[1]。

在曲轴研究方面，国内学者张平等人[2]利用有限元仿真技术对曲轴进行了热应力分析，通过建立热力耦合模型分析曲轴的疲劳损伤和寿命，从而判断其可靠性。王乐等人[3]对直列四缸发动机曲轴进行了疲劳强度有限元分析，通过分析曲轴在不同缸点火时的等效应力和总变形量，得出结论当四缸点火时会出现最大的应力值。吕端等人[4]采用仿真技术对一个高速赛车V8 发动机的曲轴模型进行了模态分析研究，获取了曲轴的前10 阶固有频率和相应振型，得出结论在设计时应该通过平衡块大小、刚度等来改善曲轴的振型变化。

上述学者主要从仿真的角度分析曲轴， 没有将曲轴几何参数与曲轴应变、应力相关联， 随着汽车发动机技术的发展，曲轴的工作环境以及条件日益严峻，需要合理优化曲轴的结构。

因此，研究曲轴的几何参数与其应变、应力之间的关系是十分有必要的。通过ANSYS Workbench进行曲轴静力学和模态分析，分析其应变、应力分布云图，根据有限元分析结果确定优化参数，以提高曲轴强度为优化目标进行优化设计，从而改善发动机曲轴的强度。

2. 曲轴模型建立及载荷约束的施加 2.1. 铸铁曲轴设计 在本文设计的曲轴中，根据结构形式的优缺点，由于对曲轴的扭转、弯曲疲劳应力下状态有着较高的要求、适用于轻型发动机的运行工况，所以选择了整体式曲轴的结构形式，材料选用了球墨铸铁类的材质。因此，本文设计的曲轴具有结构简单、一体式、具有吸震耐磨、对表面刻痕不敏感的特点。

本文关于设计曲轴的结构形式，它是有五个主轴颈，四个连杆轴颈，一个曲柄和一个配重。如表1， 为设计的曲轴参数。