某三缸汽油機(jī)曲軸箱強(qiáng)度及疲勞有限元分析

陳龍，胡鵬翔，王英杰，陳亮，歐陽(yáng)彩云

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

曲軸箱的強(qiáng)度分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要，曲軸箱分析內(nèi)容主要為缸體、主軸承蓋及軸瓦的強(qiáng)度分析和疲勞分析，而上述零部件均為曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供有效支撐。一旦出現(xiàn)失效的情況，后果非常嚴(yán)重。

1 計(jì)算機(jī)模型

具體分析項(xiàng)目可以將主軸承壁分析分成三個(gè)大的工況：（1）最大螺栓預(yù)緊力、最大軸瓦過(guò)盈量；（2）最小螺栓預(yù)緊力、最小軸瓦過(guò)盈量；（3）最小螺栓預(yù)緊力、最大軸瓦過(guò)盈量。

2 最大螺栓預(yù)緊力、最大軸瓦過(guò)盈量

2.1 缸體應(yīng)力分布

缸體材料牌號(hào)為HT250，結(jié)合最大、最小主應(yīng)力分布圖，可知應(yīng)力結(jié)果合理，最小主應(yīng)力峰值470Mpa，小于750Mpa。

圖1 有限元分析模型

圖2 缸體最小主應(yīng)力分布

2.2 主軸承蓋應(yīng)力分布、等效塑性應(yīng)變（PEEQ）

取曲軸轉(zhuǎn)角在1476位置時(shí)，主軸承蓋應(yīng)力、應(yīng)變分布結(jié)果。

圖3 主軸承蓋平均應(yīng)力分布

主軸承蓋材料為 AVL_GJS-500，結(jié)合主軸承蓋應(yīng)力分布圖，可知平均應(yīng)力、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力均沒(méi)有超過(guò)限值，結(jié)果合理。

圖4 主軸承蓋等效塑性應(yīng)變（PEEQ）

根據(jù)等效塑性應(yīng)變結(jié)果，PEEQ值最大為 0.0012，小于0.002的限值，結(jié)果合理，符合要求。

2.3 軸瓦切應(yīng)力分布

圖5 軸瓦冷態(tài)切向應(yīng)力分布

圖6 軸瓦熱態(tài)切向應(yīng)力分布

分別取裝配階段中Shellcrush（冷態(tài)）、Warmengine（熱態(tài)）分析步結(jié)果考察軸瓦切應(yīng)力分布。由上圖可知，冷態(tài)時(shí)軸瓦平均切應(yīng)力為270Mpa，熱態(tài)時(shí)軸瓦平均切應(yīng)力為300Mpa，均小于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)350Mpa，結(jié)果符合要求。

2.4 缸體、主軸承蓋高周疲勞安全系數(shù)計(jì)算

圖7 缸體高周疲勞安全系數(shù)

高周疲勞計(jì)算可以使用FEMFAT進(jìn)行，以缸體和主軸承蓋為分析對(duì)象。一般，安全系數(shù)需大于1.1。定義材料屬性時(shí)存活率設(shè)置成50%，計(jì)算時(shí)材料存活率設(shè)置成99.99%。缸體、主軸承蓋高周疲勞計(jì)算結(jié)果如圖7、8、9所示。

圖8 缸體油孔內(nèi)高周疲勞安全系數(shù)

圖9 主軸承蓋高周疲勞安全系數(shù)

由圖7、8、9可知，缸體、軸承蓋表面疲勞安全系數(shù)均大于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.1，結(jié)果合理。

3 最小螺栓預(yù)緊力、最小軸瓦過(guò)盈量

計(jì)算最小螺栓預(yù)緊力、最小軸瓦過(guò)盈量下的軸瓦背壓。結(jié)果如圖10、11所示，冷態(tài)時(shí)軸瓦平均背壓為18Mpa，熱態(tài)時(shí)軸瓦平均背壓為20Mpa，均大于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)10Mpa，結(jié)果合理。

圖10 軸瓦冷態(tài)時(shí)背壓分布

圖11 軸瓦熱態(tài)時(shí)背壓分布

4 最小螺栓預(yù)緊力、最大軸瓦過(guò)盈量

加載最小螺栓預(yù)緊力、最大軸瓦過(guò)盈量，計(jì)算接觸面滑移量，計(jì)算所得CSLIP1與CSLIP2分別為X、Y向滑移量，則最大滑移量計(jì)算公式為：

DCSLIP_MAX分布在新產(chǎn)生的

Session_Step中查看，結(jié)果如圖12、13所示。

圖12 主軸承蓋最大滑移量

圖13 主軸承蓋X、Y方向滑移量

最大滑移量DCSLIP_MAX

5 結(jié)論

通過(guò)有限元分析可知某三缸汽油機(jī)的缸體應(yīng)力分布、主軸承蓋應(yīng)力分布、等效塑性應(yīng)變（PEEQ）、軸瓦切應(yīng)力分布、缸體、主軸承蓋高周疲勞安全系數(shù)計(jì)算、冷熱態(tài)時(shí)軸瓦平均背壓均合理，滿足要求；最大滑移量12μm＞標(biāo)準(zhǔn)滑移量10 μm，但在可接受范圍內(nèi)。通過(guò)仿真分析為曲軸箱的可靠性設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。