第4期（总第225期）
2016年8月·设计计算：
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No.4(Serial No.225）
Aug.2016
大功率多缸柴油机曲轴疲劳强度评估方法
卢耀辉，张醒，向鹏霖，李婷婷
（西南交道大学机械工程学院，四川成都610031）
摘要：以某型大功率柴油机作为研究对象，采用ADAMS/Engine建立了多缸柴油机曲柄连杆机构多体动力学模型，计算得到了曲轴的工作载荷。通过建立曲轴的整体三维有限元模型，将主轴承对主轴颈的支撑边界定义为接触对以模拟实际的约束状态，并将动力学计算所得一个周期内的曲柄销载荷历程曲线离散为16个载荷点，并按照发火次序，组合得到了16个载荷工况以模拟曲轴上的交变载荷，载荷的施加采用函数分布的形式模拟滑动轴承的压力分布，通过非线性有限元分析得到曲轴的应力应变结。在此基础上，利用曲轴材料性能数据绘制了曲轴 Goodman疲劳强度曲线，自编后处理分析程序得到了曲轴上所有节点的疲劳强度安全系数。结果表明：材料为 42CrMo的整体曲轴满足结构疲劳强度要求，油孔处和过渡圆角处的疲劳强度安全系数相对较小，采用Goodman 疲劳曲线计算的最小疲劳强度安全系数为5.04。分析结果与曲轴实际失效位置一致
关键词：柴油机；曲轴；有限元分析；疲劳强度；疲劳安全系数 DOI: 10.3969/j.issn .1001-2222 .2016 .04.001
中图分类号：TK422
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2016)04-0001-06
随者柴油机尚高功率密度方尚的发展，柴油机
结构的日靠性显得越来越重要。第四届内燃然机日靠性技术国际研讨会上专家指出：与世界发达国家相比内燃机可靠性一直是我国与国际先进技术水平之间的最大差距。曲轴是柴油机的主要运动部件，它承受负载的载荷作用，多缸柴油机曲轴除了承受弯曲载荷，还承受扭转载荷；并且曲轴形状复杂，应力集中现象非常严重，尤其是在曲轴轴颈过渡圆角、润滑油孔处存在应力集中现象。曲轴的失效一般是由于复杂载荷作用，结合曲轴复杂的结构形状，导致应力集中从而引起局部的疲劳破坏-。针对该间题，国内外有许多机构和学者对其进行了大量理论试验研究。大连理工大学薛继凯、于学兵等人利用非线性多体动力学与三维实体有限元法对曲轴进行强度分析，计算了一个工作循环下的曲轴动应力并分析了曲轴的疲劳强度5；上海交通大学蔚兴建等人分析了多种工况条件下的曲轴受力情况，并通过试验分析了曲轴材料和员角结构对曲轴疲劳强度的影响。相关研究主要分为两个方向：一是试验结合数值分析得到曲轴工作时的应力情况并计算曲轴
收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-04-16
寿命；二是通过曲轴结构设计优化和曲轴加工工艺改进提高曲轴的工作可靠性。大量相关研究表明，曲轴整体有限元分析是计算曲轴强度和刚度最理想也是最常用的方法。过去许多研究学者为减少仿真计算的工作量而对曲轴整体进行了不同程度的简化(1/2模型、1/4模型等)-8]。另外，沈意平、王送来、何福泉等人采用有限元软件ANSYS定义了轴与轴套、耳板和液压油缸的4个接触对，对新型20m桥梁检测车的行走支腿结构进行了接触非线性分析求解”，为本研究的有限元接触分析提供了很好的指导参考。本研究建立多体动力学模型计算曲轴工作载荷，之后建立曲轴的三维整体有限元模型，将主轴承与主轴颈设置为接触约束，对曲轴工作时的应力应变进行接触非线性分析，采用Goodman疲劳曲线计算并评价曲轴的疲劳强度，指出曲轴结构容易发生失效的危险部位，为曲轴的结构设计提供参考。
柴油机曲轴载荷计算
利用ADAMS/Engine建立曲柄连杆机构模
型，采用多体动力学分析计算曲轴工作载荷。表1
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275428）；研究生创新实验实践项目（YC201502108）
作者简介：卢耀辉(1973一），男，博士，副教授，研究方向为车辆及发动机结构劳强度可靠性及动力学+yhlu2000@swjtu.edu.cn，