考虑变速器结构影响的曲轴计算分析

陈 超 郑晓丰 赵胜权 卢晶晶

（宁波市鄞州德来特技术有限公司 浙江 宁波 315100）

引言

曲轴在运动过程中受到气体作用力、往复运动和旋转运动产生的惯性力及转矩和弯矩的影响，会产生疲劳应力和轴颈油膜压力。当疲劳应力及油膜压力过大时，会出现零件失效现象[1]。

本文结合传动链的零部件结构和布置形式，对新设计的曲轴进行了有限元仿真计算分析。考虑到曲轴后端双质量飞轮、离合器、变速器主轴、变速器壳体、油底壳等零部件刚度、转动惯量及弯矩对仿真计算分析结果产生影响，在建立曲轴多体动力学模型时，对模型进行了缩减。

1 模型建立和边界条件设置

1.1 多体动力学模型的建立

建立曲轴多体动力学模型时，曲轴通过自带autoshaft 功能进行缩减，双质量飞轮采用专用的Dual_Mass_Flywheel 模块，缸体、油底壳、变速器壳体等在建立有限元网格模型时进行缩减。

曲轴多体动力学模型如图1 所示。

图1 曲轴多体动力学模型

1.2 有限元网格模型缩减

因原始网格模型包含的零件较多，应用模态缩减分析理论[2]，采取质量-刚度矩阵等效处理方式进行模型缩减，可大大简化分析时间。考虑到模型连接特征及绘制网格的时间成本，对油底壳进行质心简化，曲轴与周边零件采用MPC（多点耦合）连接，缸套和轴瓦采用六面体网格绘制，变速器壳体、缸体采用大网格绘制。缸体上表面约束自由度123，缸套保留节点123，轴瓦径向内圈保留节点23，第3 主轴瓦两止推端面保留节点1。

有限元网格缩减模型如图2 所示。

图2 有限元网格缩减模型

1.3 材料属性

表1 是曲轴仿真计算分析所用材料属性。

表1 曲轴仿真计算分析所用材料属性

1.4 边界条件

1.4.1 机油温度、轴瓦参数边界条件

机油牌号为0W-20，机油温度为140 ℃。

轴瓦参数见表2。

表2 轴瓦参数

1.4.2 载荷边界条件

载荷边界条件为气体压力，最大爆发压力为11MPa。见图3。

图3 载荷边界条件

2 计算分析结果

2.1 EHD 分析结果

本文通过EHD（Elasto-Hydro Dynamic，弹性流体动力学）[3]计算来评价轴瓦的油膜总压力、表面粗糙接触压力、热负荷、摩擦功率损失、机油温度升高程度。评价指标见表3。表3 中，APFL（Asperity Friction Power Loss）为粗糙摩擦功率损失，TFLP（Total Friction Power Loss）为总摩擦功率损失。

表3 评价指标

本文对发动机转速为5 500r/min 时第5 主轴瓦进行EHD 计算。

油膜总压力分布计算结果如图4 所示。

图4 油膜总压力分布

表面粗糙接触压力计算结果如图5 所示。

图5 表面粗糙接触压力

轴瓦平均热负荷计算结果如图6 所示。

图6 轴瓦平均热负荷

轴瓦摩擦功率损失计算结果如图7 所示。图7中，Hydrodynamic Friction Power Loss 为流体动力摩擦损失。

图7 轴瓦摩擦功率损失

轴瓦机油温度升高程度计算结果见表4。

表4 轴瓦机油温度升高程度

从图4～图7 以及表4 可以得出，计算结果满足指标要求。

2.2 曲轴疲劳因子

曲轴在弯曲、扭转载荷反复作用下，容易在轴颈圆角处产生应力集中，进而引起曲轴疲劳破坏[4]。本文中，第4 缸连杆轴颈位于飞轮端附近，更容易产生疲劳破坏。。

在各转速的爆发压力作用下，曲轴各轴颈圆角处疲劳因子分布如图8 所示。图8 中，web 表示曲柄臂块。

图8 在各转速的爆发压力作用下曲轴轴颈圆角处疲劳因子分布

从图8 可以看出，在各转速的爆发压力作用下，曲轴各轴颈圆角处疲劳因子均大于1.5，满足疲劳因子大于1.1 的设计要求。

在转速为4 500 r/min 的爆发压力作用下，第4缸连杆轴颈圆角处疲劳因子分布如图9 所示。

图9 第4 缸连杆轴颈圆角处疲劳因子分布

从图9 可以看出，第4 缸连杆轴颈圆角处最小疲劳因子为1.51@4 500 r/min，满足疲劳因子大于1.1 的设计要求。

3 结论

对某发动机曲轴进行了仿真计算分析，得到如下结论：

1）对发动机转速为5 500 r/min 时第5 主轴瓦进行了EHD 计算。结果表明，第5 主轴瓦的油膜总压力、表面粗糙接触压力、热负荷、摩擦功率损失、机油温度升高等均满足评价指标要求。

2）在各转速的爆发压力作用下，曲轴各轴颈圆角处的疲劳因子均大于1.5，其中第4 缸连杆轴颈圆角处最小疲劳因子为1.51@4 500 r/min，满足疲劳因子大于1.1 的设计要求。