基于ANSYS的汽车曲轴有限元分析说明书.docx

目 录摘 要 . IV Abstract . V 1 绪论 . 1 1.1 课题研究目的和意义 . 1 1.2 课题国内外研究现状及发展趋势 . 1 1.3 有限元法简介 . 3 1.4 课题主要研究内容 . 4 2 汽车曲轴的设计计算 . 5 2.1 汽车曲轴的功用及结构特点 . 5 2.2 运动学及动力学分析 . 6 2.3 曲轴零件的结构设计 . 8 3 基于 Creo 的汽车曲轴的建模 . 9 3.1 曲轴模型简化 . 9 3.2 曲轴实体建模 . 9 4 基于 ANSYS 的汽车曲轴有限元分析 . 10 4.1 曲轴有限元模型建立 . 10 4.2 曲轴静强度分析 . 11 4.3 提出优化方案 . 19 5 结论与展望 . 19 参考文献 . 20 致 谢 . 21基于 ANSYS 的汽车曲轴有限元分析摘 要曲轴是汽车发动机中重要零件之一，起着“承前启后”的作用，曲轴主轴颈与连杆 大头相连，承受来自活塞推力曲轴后端与飞轮相接，飞轮与汽车的传动系统相连。曲柄 连杆机构在工作过程中，受力情况非常复杂，曲轴连杆轴颈承受气缸中燃气压力的分力、活塞连杆组的旋转惯性力分力、活塞连杆组的往复惯性力，使曲轴承受弯曲扭转载荷的 作用。课题以某汽车为例，研究该汽车发动机的曲轴上的一个曲拐。首先对其变形与应 力状态进行有限元分析，用 Creo 对曲轴三维实体模型进行建模，再将实体模型导入ANSYS 中进行静力分析与模态分析，课题得出主轴颈与主轴颈上应力比较集中；曲轴动态性能符合要求。关键词：曲轴；Creo 建模；有限元分析；模态分析IVFinite Element Analysis of Automobile Crankshaft Based on ANSYSAbstractThe crankshaft is one of the important parts in the automobile engine. It plays the role of “supporting the front and back” and the main shaft of the crankshaft is connected with the big end of the connecting rod. The crankshaft receives the thrust from the piston and the rear end of the crankshaft connects with the flywheel. The flywheel is connected with the drive system of the automobile. In the working process of the crank connecting rod mechanism, the force conditions are very complicated. The crankshaft connecting rod journal bears the component of the gas pressure in the cylinder, the rotary inertia force component of the piston connecting rod set, and the reciprocating inertia force of the piston connecting rod set. The crankshaft bears the effect of bending torsional loads. The subject takes a car as an example to study a crank on the crankshaft of the car engine. Firstly, the finite element analysis of its deformation and stress state is carried out. The three-dimensional solid model of the crankshaft is modeled by Creo. Then the solid model is imported into ANSYS for static analysis and modal analysis. The subject has obtained the stress comparison between the main journal and the main journal. Focused; crankshaft dynamic performance meets requirements.Key words：Crankshaft；Creo modeling；Finite element analysis；Modal analysis1 绪论1.1 课题研究目的和意义曲轴是汽车发动机中必不可缺的零件，起着“承前启后”的作用。曲轴主轴颈与连 杆大头相连，承受来自活塞推力，并且这种推力方向沿连杆轴颈表面时刻在变化，力的 大小也时时刻刻在变化。曲轴后端与飞轮相接，飞轮与汽车的传动系统相连。这构成了 汽车动力源的传递路线，气体作用力经活塞、连杆传递给曲轴，并转变成转矩，而转矩 则通过飞轮传递出去。曲柄连杆机构在工作过程中，受力情况非常复杂，曲轴连杆轴颈 承受气缸中燃气压力的分力、活塞连杆组的旋转惯性力分力、活塞连杆组的往复惯性力， 所以在发动机工作过程中，曲轴很容易折断，导致汽车报废甚至危及人身安全。另外， 如果曲轴的刚度太差，在扭转过程中可能产生很大的噪声影响汽车驾驶性能。所以，研 究曲轴的强度与刚度对曲轴的设计生产具有非常重要的意义。 1.2 课题国内外研究现状及发展趋势现今，汽车工业步入高速发展阶段。在曲轴方面，国家引进先进制造设备，不断提高曲轴锻造工艺，使曲轴性能更加符合发动机运动工况，进一步提高汽车性能。同时投入大量资金与专项人才，不断研发巩固曲轴性能。这两方面的相辅相成使得曲轴制造技术已经非常完善。 目前曲轴有球墨铸铁式曲轴与锻钢式曲轴两种。球墨铸铁的价格低廉，且性能好， 尤其是其切削性良好，容易锻造出伊始设计的形状，球墨铸铁式曲轴同样可以进行表面处理以增强材料性能，如耐磨性、强度等。据统计，美英日三国球墨铸铁式曲轴的市场占有率分别为 90%、70%、60%，其他一些欧美国家也大规模采用球墨铸铁式曲轴。我国中小型发动机基本上都采用球墨铸铁式曲轴，功率在 160KW 以上的发动机一般采用锻钢式铸铁。 曲轴的表面处理即强化处理有几下几种方式： 1.氮化处理。氮化处理前，要对零件表面进行清洗，继而要排除炉内的空气。氮化处理能调高零件的硬度与耐磨性。 2.喷丸处理。所谓的喷丸处理就是将一定材料高速喷向零件表面，在零件表面形成一层 薄膜，这层薄膜具有一定的残余应力。当零件受负载时，残余应力可以抵消一部分负载， 从而达到增强零件性能的效果。 3.圆角滚压处理。所谓圆角滚压处理就是用一个滚轮与曲轴对滚，使曲轴有一定的预压紧力。这个过程中，曲轴面产生一定的塑性变形，同时带来一定的残余应力，这些残余应力的作用同喷丸处理相同，从而增强零件性能。曲轴圆角滚压处理有切线滚压、半精加工后滚压、圆角沉割滚压三种类型。切线滚压得到的连杆轴颈的圆角与滚轮的圆角相24同，加工方便，但是这种方式互换性差，一种滚轮只能生产同一种型号的曲轴。同时在加工过程中，会在连杆轴颈的侧表面形成一个凸台，这个凸台需要在后期经磨削打磨处理掉，这增加了工序，使加工更加繁杂。半精加工后滚压是在曲轴精磨前的一道工序， 它的优点是避免在滚压过程中，曲轴表面起台，其缺点使曲轴表面发生塑性变形，这需要在后序工序中磨削掉一部分塑性变形带，这削弱了滚压的强化效果。而圆角沉割滚压综合了以上两种方法的优点，并且克服了两种方法的缺点，故这种强化方式被广泛使用。 4.复合强化处理。所谓复合处理就是综合多种强化处理方式共同加工，现代的复合处理主要是圆角滚压与离子氮化相配合使用，这种强化方式技术要求较高，但是这种强化方式对曲轴性能的强化效果最好。 曲轴的主轴颈和曲柄销的加工方式分为粗加工、半精加工和精加工三种。过去曲轴 的锻造通常在车床上完成，同时配备多种刀具以满足曲轴的工艺要求。这种传统加工方 式逐渐被淘汰，因为车床加工对操作工的技术要求高。粗加工时，常因零件的形状要求， 配备多种刀具，从而选择加工工序非常重要。一旦工序选择不当，将会产生较大的内应 力，曲轴在工作时非常不稳定，且很难保证适合的加工余量。传统加工方式的主要缺点 是生产效率极低，通常一台车床在同一时间只能加工某一零件的某一道工序，这就导致 了加工过程需要多种型号的车床以适应工作零件的多方面要求。而且车床的体积较大， 占用很大的空间，过去为了提高生产率只有通过多种工序分解，在不同的车床上流水线 式分序进行。近些年来，技术进步，出现了数控机床。数控车削机床与传统车床相比， 刀具价格低廉，但缺点是只适合小批量的生产。数控铣床相当昂贵，而且其专用刀具的 价格也非常昂贵，优点是适合大批量的生产，综合来说，数控机床与传统机床相比，各 有其优势与劣势。数控机床还具有传统机床所不具备的技术，数控车拉工艺、数控 车车拉工艺。宽轴径的零件用传统机床非常难加工，而数控机床的这两种技术能很 容易做到，并且用其加工出来的零件质量很高、效率很高。但这两种工艺所要用到的刀 具结构非常复杂，现在国内没有这种技术加工出这种刀具，一般都要通过进口来满足其 需求。另外还有一种近些年热度非常高的 CNC 高速外铣工艺。这种工艺新兴于 21 世纪末，其优势在于适用范围广、自动化程度高、加工效率高、加工出的零件质量高。现在 这种工艺已经成为加工主轴颈和曲柄销的主流加工方式。通过比较我们可以知道，数控 机床在加工曲柄销的过程中通常需要两道工序，而 CNC 高速外铣工艺只需要一道工序， 其优势还有切削效率高、工作时刀具温度不高、刀具的寿命高。这减小的加工过程的繁 琐程度，更重要的是提高了曲轴的生产效率。德国 BOEHRINGER 是专门生产这种高速外铣机床的公司，这种机床加工技术非常成熟，在铣曲轴的过程中。如果一道工序中涉及 多个工作平面，这种机床可以做到不改变曲柄销的轴线而对其加工，且其加工精度非常 高。这种机床还具有非常高的自动化程度，在其控制系统中输入零件的基本参数，其控 制系统就能自动生成加工工序。精加工使用数控磨床。采用静压主轴、静压导轨、静压 进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制等控制装置，使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保证，精加工还广泛使用数控砂带抛光机进行超精加工，经超精加工后的曲轴轴颈表面粗糙度至少提高一级精度。如 GF70MT 曲轴磨床是日本 TOYADA 工机开发生产的专用曲轴磨床，是为了满足多品种、低成本、 高精度、大批最生产需要而设计的数控曲轴磨床。该磨床应用工件同转和砂轮进给伺服联动控制技术，可以一次装夹而不改变曲轴同转中心即可完成所有轴颈的磨削，包括随动跟踪磨削连杆轴颈； 采用静压主轴、静压导轨、静压进给丝杠(砂轮头架)和线性光栅闭环控制，使用 TOYADA 工机生产的GC50 CNC 控制系统，磨削轴颈圆度精度可达到 0.002mm；采用 CBN 砂轮，磨削线速度高达 120ms，配双砂轮头架，磨削效率极高。 发动机是汽车的根本，许多发达国家都致力于制造高性能的发动机。目前提高发动机输出效率的方法有增压法、使用多缸发动机、调高发动机的转速等方法。发动机正向着增压、增压中冷、大功率、高可靠性、低排放方向发展，曲轴作为发动机的心脏， 正面临着安全性和可靠性的严峻挑战，传统材料和制造工艺已无法满足其功能要求，市场对曲轴材质以及毛坏加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。如果其中任何个环节质量没有得到保证，则可严重影响曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重视，并不断改进曲轴加工工艺。随着 WTO 的加入，国内曲轴生产厂家已经意识到形势的紧迫性，引进了为数不少的先进设备和技术，以期提高产品的整体竞争力，使得曲轴的制造技术水平有了大幅提高，特别是近 5 年来发展更为迅猛。 目前国内轿车曲轴生产线多为高速柔性生产线FTL，这种生产线的特点是不仅可以加工同系列曲轴，而且还可加工变型产品、换代产品 和新产品，真正具备柔性意义。为进一步提高高速柔性生产线的生产效率更快的适应 市场，FTL 未来发展是敏捷柔性生产线 AFTL。 其主要目的是：满足市场变化的需求。不但满足当前产品的耍求，还应考虑未来市场需求。满足生产方式的需求。能满足现代 发动机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的生产需求。符合“精益生产”的原则。杜绝浪费，用最少投资、最大回报谋取利润。由于发动机曲轴自身结构的特殊性曲轴ATFL 应具备以下特点：由高速加工中心和高效专用机床(含少量组合机床)组成。按工艺流程排列机床并由自动输送装置连接，采用柔性夹具和高 效专用刀具生产。为防止关键工序设备故障造成全线停产，可增设平行设备增补，亦能满足大批量生产的需要1-5。 1.3 有限元法简介有限元软件主要有结构静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析、疲劳断裂及复合材料分析，其功能十分广泛且强大。ANSYS 主要通过建模、网格划分、加载和求解、后处理来实现分析。课题主要使用结构静力学模块，结构静力学分析属于线性分析。线性分析一是只材料是线性的，即应力应变关系是线性的，变形是可恢复的；二是指变形不会改变小范围内的位移、应变、转动结构刚性。概括地来说就是结构静力学分析用于确定加载结构的位移、应力、应变6-11。 1.4 课题主要研究内容本课题主要研究曲轴在负载下的变形与应变。可以通过 Creo 对某汽车发动机的曲轴进行建模，然后将得到的实体模型导入 ANSYS 得到有限元模型，通过有限元分析得出变形图与应力图，分析其结果，提出更优的建议；另外对曲轴做模态分析，分析其结果。 2 汽车曲轴的设计计算2.1 汽车曲轴的功用及结构特点2.1.1 曲轴功用及结构特点曲轴在汽车发动机中起承前启后的作用，即承受活塞连杆对其的推力，并将其传递给飞轮，转矩则通过飞轮传递给汽车传动系，这一过程不仅起传递的作用还改变力的方向，将活塞连杆的直线运动转变成旋转运动。曲轴上还装有定时齿轮与带轮，定时齿轮用来驱动配气机构中的凸轮轴，带轮用来驱动风扇和水泵。故曲轴与配气机构、冷却系统以及动力传动系统有着密切的联系，是发动机中不可或缺的零件。 曲轴由前后端、主轴颈、曲柄和连杆轴颈构成。一个连杆轴颈和其两端的曲柄、前后两端的主轴颈构成一个单元的曲拐。曲轴的曲拐数目由气缸的数目和排列方式决定。在直列发动机中，曲轴曲拐数与气缸数相等；在 V 型发动机中，曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 曲轴前端也称为自由端，是一根轴。在这根轴上装有驱动配气机构中凸轮轴的定时齿轮、驱动风扇和水泵的皮带轮以及起动爪等。曲轴前端还装有一个甩油盘，甩油盘在随曲轴旋转的过程中，可以避免机油外泄。工作原理是当机油由于离心力的作用，甩落在盘上的机油会飞溅到定时齿轮室盖的壁面上，随后沿着壁面流回油底壳，少量机油残余在油盘前的轴上，这部分机油借由油封挡住。曲轴后端也有密封措施，通常在后端轴上加工有回油螺纹或者其他封油装置。回油螺纹可以是梯形的也可以是矩形的，但需要注意的是，回油螺纹旋向应是右旋的，因为在曲轴旋转过程中，机油具有一定粘度，必然受到摩擦力，如果使用的是右旋螺纹，摩擦力的一个分力会使机油流回油底壳。 主轴颈是曲轴的主干部分，起到支承的作用，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座 中。区分曲轴是全支承曲轴还是非全支承曲轴的主要依据是曲轴的主轴颈数目，全支承 曲轴的相邻两个曲拐都有一个主轴颈来连接，否则则为非全支撑曲轴。由此可见，全支 承曲轴和非全支撑曲轴的适用方面不同。总的而言，全支承曲轴与非全支承曲轴相比， 刚度和弯曲强度都要大，这也就是为什么在大负荷柴油机中，要使用全支承曲轴的原因。主轴颈的数目与气缸排列方式和曲轴种类（全支承曲轴和非全支撑曲轴）有关。在直列 发动机中，如使用全支承方式，其主轴颈的数目比气缸数多一个；在 V 形发动机中，如使用全支撑方式，其主轴颈个数比气缸数的一半多一个。另外，曲轴也可分为整体式和 组合式。一般来说，整体式曲轴是一次性锻造的，而组合式曲轴是分别加工若干个曲拐，最后组装而成。显然，组合式曲轴在各方面的性能都要优于整体式曲轴，但是在成本和加工复杂程度都要高于整体式曲轴。 曲柄是连杆轴颈和主轴颈的中间部分。一般在曲柄的相反方向上设置平衡重，平衡重是为了平衡发动机运转时的不平衡的离心力矩，能让发动机运转平稳的同时保护曲轴等零件。在一些负荷大的发动机中，如不设平衡重，曲轴很容易因断裂破坏使发动机报废。但有些发动机不设置平衡重，这就要综合考虑发动机的负载。有些发动机曲轴采用全支承方式，刚度与强度足够大，此时再设置平衡重，就会消耗一部分功率，使输出功率下降，影响发动机性能。 连杆轴颈是连接连杆和曲轴的部分，也称为曲柄销。连杆的大头形状其实是两个半弧形，在连杆大头与曲柄销之间夹装轴瓦，连杆大头与曲柄销通过螺栓连接。轴瓦与连杆大头上都开有孔，润滑油可以通过这些孔道润滑曲柄连杆机构。 曲轴的形状和曲拐相对位置(即曲拐的布置)取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。在安排发动机发火次序时，要满足两个原则。一是尽量使连续做功的两缸相距尽可能远，这是考虑到旋转时的离心力而提出的，假设发动机发火次序按照 1234 来设置。那么当前两缸做功时，曲轴后端所受负荷非常大，同样在后两缸做功时，曲轴前端所受负荷也非常大，这对曲轴使用寿命是非常不利的。第二个原则是做功间隔尽量均匀，即在曲轴旋转两周时，每一缸都必须参与做功一次。这是为了保证发动机工作平稳，同时也保证气缸利用率，即提高发动机输出功率。这就是为什么现在所有四缸汽车发动机要按照 1243 或者 1342 的发火次序来进行，六缸发动机按照 153624 或者 142635 的发火次序来进行。 2.2 运动学及动力学分析2.2.1 曲轴设计要求根据上述曲轴的损坏形式及其原因，且为避免这些损坏，曲轴在设计过程中应尽量满足以下的要求： 1. 具有足够的疲劳强度，以保证曲轴工作可靠。尽量减小应力集中，加强薄弱环节； 2. 具有足够的弯曲和扭转刚度，使曲轴变形不致过大，以免恶化活塞连杆组及轴承工作条件； 3. 轴颈要有良好的耐磨性，保证曲轴和轴承有足够的寿命； 4. 曲柄的排列应合理，以保证柴油机工作均匀，曲轴平衡性良好，以减少振动和主轴承最大负荷； 5. 材料选择适当，制造方便； 2.2.2 载荷确定实际的曲轴是一个多支承的静不定系统：随冲程的进行，曲轴所受负载方向沿着连杆轴颈表面不断变化，且其大小也不断变化。一般是把曲轴按单拐分成几段，每段当做简支梁进行分析；又根据每段结构、载荷和约束的对称性，本课题只分析一个连杆轴颈的变形量和应力12-15。 实践和理论分析表明，对于各种曲轴，弯曲载荷是其破坏的主要影响因素。 而弯曲载荷是由连杆直接作用与曲轴上的。作用于曲轴上的弯曲载荷主要有 3 种： 1)活塞连杆组作用到曲轴上的压力（方向向下）： = 1/42 = 61359N （1） 气缸直径，取 125mm； 做功行程中气缸内的最高压力，取 5MPa。 2)连杆总成的往复惯性力1和活塞组的往复惯性力2： = 22 （2） 1连杆总质量，取 2.27kg； (1 + ) = 3628.5N2连杆质心到大头中心距，取 60mm； 曲柄半径，取 60mm； 连杆中心距，取 192mm； 连杆轴颈半径，取 34.5mm。 2 （3） 2 = (1 + ) 活塞和活塞环总质量，取 1.76kg； 3）连杆大头的旋转惯性力3： = 9002.6N 3= 2 2 = 3991.4N （4） 曲轴所受的最大压缩载荷在做功行程中到达压力最大时，其值为： = 1 2 3 = 44736.5N （5） 曲轴所受的最大拉伸载荷在进气冲程开始的上止点附近，其值为： = 1 + 2 + 3 = 16622.5N （6） 曲轴的两种计算工况分别对应于上述 2 种最大载荷，如图 2.1 所示： 图 2.1 曲轴两种计算工况示意图2 种工况最大载荷沿轴颈圆周 120o 方向按均匀分布的施加方式。对应的连杆轴颈上的均布压强可由式(1)确定； = +3 （7） 3是作用在连杆轴颈上的最大载荷。工况 1 时为，工况 2 时的载荷为积分后得到 2 种工况对应的均布压强： = 17.980MPa = 6.684MPa 2.3 曲轴零件的结构设计某汽车曲轴全长为 1004mm, 主轴颈与曲柄销的长度为 85mm, 主轴颈与曲柄销的直径分别为 180mm、95mm。曲轴采用全支承式。 3 基于 Creo 的汽车曲轴的建模3.1 曲轴模型简化曲轴主要由曲柄、曲柄销和主轴颈三个部分组成，其中连杆轴颈和其两端的曲柄与主轴颈构成一个曲拐。曲拐与气缸是相互匹配的，即曲拐数随着气缸数的增加而增加。Creo 三维实体建模就是建立曲拐与主轴颈，然后根据发动机气缸数将曲拐进行复制得到最终的曲轴模型。 3.2 曲轴实体建模在做整个曲轴的静力分析中，曲轴的受力情况非常复杂，所以在这里做了一个简化。以单个曲拐为例做静力分析。进入拉伸命令的草绘界面，画一个直径为 180mm 的圆，拉 伸长度为 85mm，这就形成了一个主轴颈，可以利用镜像复制命令创建另一个主轴颈。再次进入拉伸命令的草绘界面，画一个直径为 85mm 的圆，拉伸长度为 95mm，这就形成了一个连杆轴颈，曲柄也是通过拉伸命令创建。单个曲拐模型如图 3.1 所示。 图 3.1 曲拐模型4 基于 ANSYS 的汽车曲轴有限元分析4.1 曲轴有限元模型建立依次 ANSYSworkbenchStatic StructuralEngineering Data，设置弹性模量、泊松比和密度。课题选用的某型轿车，曲轴材料为为 40Cr，主要参数如表 4.1 所示。 表格 4.1 材料主要参数材料 弹性模量 E/GPa 密度 kg/m3 泊松比 40Cr206 7800 0.3 将 Creo 生成的曲拐模型导入 ANSYS 中，具体步骤为将 Creo 文件保存为.iges 格式， 依次操作 ANSYSworkbenchStatic StructuralGeometryBrowse 打开 igs 格式文件， 最后双击 model 生成有限元模型，如图 4.2 所示。 图 4.2 ANSYS 模 型4.2 曲轴静强度分析4.2.1 网格划分点击 mesh，在 sizingElement Size 一栏中输入 0.001，即单元边长为 1mm。生成的有限元模型如图 4.3 所示。点击 Statistics 可查看生成的单元数目，共 536137 个节点，315025 个三角形单元。 4.2.2 加载求解图 4.3 有限元网格划分模型 在 static structural 中添加固定端和施力点和力的方向与大小。当活塞处于做功行程中气缸中压力达到最大时，连杆施加于连杆轴颈上的负载上面设计计算已经求出，为17.980MPa，方向为连杆大头与连杆轴颈接触点指向连杆轴颈轴线；当活塞处于临近进气冲程开始时，连杆施加于连杆轴颈上的负载也由上面的设计计算求出，为 6.684MPa，方向为连杆大头与连杆轴颈接触点指向连杆轴颈轴线。两种工况求解后如图 4.4 和 4.5 所示。 图 4.4 求解分析结果（压缩载荷）4.2.3 后处理图 4,5 求解分析结果（拉伸载荷）在 solution 中添加变形与应力，分别求解。当活塞处于做功行程中气缸中压力达到最大时的位移变形图如图 4.6 所示，等效应力云图如图 4.7 所示；活塞处于临近进气冲程开始时的位移变形图如图 4.8 所示，等效应力云图如图 4.9 所示。 图 4.6 曲轴位移变形图 由图可知，做功冲程阶段且气缸内压力达到最大时，连杆轴颈表面变形量最大，最大变形量为 0.012mm，此值满足设计要求。 图 4.7 曲轴等效应力云图由图可知，做功冲程阶段且气缸内压力达到最大时，连杆轴颈整个曲面与相邻的主轴颈的整个曲面受应力较大，其值大概为 40.3MPa。图 4.8 曲轴位移变形图由图可知，活塞在进气冲程临近开始的上止点附近，连杆轴颈表面变形量最大，最大变形量为 0.0038mm，此值满足设计要求。图 4.9 曲轴等效应力云图由图可知，活塞在进气冲程临近开始的上止点附近，连杆轴颈整个曲面与相邻的主轴颈的整个曲面受应力较大，其值大概为 15.3MPa。4.2.4 模态分析依次 ANSYSworkbenchStatic StructuralEngineering Data，设置弹性模量、泊松比和密度。课题选用的某型轿车，曲轴材料为为 40Cr，主要参数如表 4.1 所示。 将 Creo 生成的曲拐模型导入 ANSYS 中，具体步骤为将 Creo 文件保存为.iges 格式， 依次操作 ANSYSworkbenchModalGeometryBrowse 打开 igs 格式文件，最后双击model 生成有限元模型，如图 4.10 所示。 图 4.10 有限元模型点击 mesh，在 sizingElement Size 一栏中输入 0.005，即单元边长为 5mm。生成的有限元模型如图 4.11 所示。点击 Statistics 可查看生成的单元数目，共 45651 个节点，26005 个三角形单元。 图 4.11 网格划分模型添加固定端后求解，一阶、二阶、三阶、四阶、五阶、六阶振型图求如 4.12、4.13、4.14、4.15、4.16、4.17 所示。 图 4.12 一阶振型图图 4.13 二阶振型图图 4.14 三阶振型图图 4.15 四阶振型图图 4.16 五阶振型图图 4.17 六阶振型图一阶振型图主要表现为曲拐的扭转；二阶振型图主要表现为曲拐的扭转；三阶振型图表现为曲拐的大幅度扭转；四阶振型图表现为曲拐的大幅度扭转；五阶振型图与六阶振型图中曲拐的小幅度扭曲。 但是，课题选取的某汽车发动机，转速变化范围在 1000r/min4000r/min，基振频率 16HZ50HZ 之间。上述的曲轴的前六阶振动频率最低的为 3763HZ，不在共振频率范围内，故这根曲轴的动态性能是满足的。 4.3 提出优化方案使变形量更小和减小应力集中有几种方案。一是更换曲轴材料，上述的某汽车曲轴材料采用的是 40Cr，现可取弹性模量更大的材料。二是在曲柄与主轴颈的连接处，倒有圆角或直角。 5 结论与展望本课题使用 Creo 对曲拐进行建模，然后用 ANSYS 对其进行静力分析、模态分析。得出曲拐在理想状态下的位移变形图、等效应力云图、前六阶的振型图。为改进曲轴提供了理论依据。做功冲程阶段且气缸内压力达到最大时，连杆轴颈表面变形量最大。活塞在进气冲程临近开始的上止点附近，连杆轴颈表面变形量最大。 课题选取的某汽车发动机，转速变化范围在 1000r/min4000r/min，基振频率16HZ50HZ 之间。上述的曲轴的前六阶振动频率最低的为 3763HZ，不在共振频率范围内，故这根曲拐的动态性能是满足的。 以上的计算、建模和分析都是在一定简化基础上进行的，故所得结果并非完全正确。但因本人能力不足与时间的紧促，未能做出一个完全切合现实的结果。在研究的过程中， 遇到的一些需要后来研究工作者深入完善的问题： 1. 曲柄连杆机构在工作时，受力情况非常复杂，计算公式是在忽略边界条件下得出的，课题中求出的施加在连杆轴颈上的负载不是精确的。 2. 在使用 Creo 对曲轴建模时，对其进行了简化，如忽略了曲轴上的螺栓孔、油道、小倒角、本课题中得出的位移变形量与等效应力与实际有误差。 参考文献1 姜鸿宇,黄春元.国内外曲轴加工技术的现状与发展J.黑龙江科技信息.2008(31). 2 曾敏.发动机曲轴制造技术应用研究D.合肥工业大学，2009. 3 郭力, 李东超. 国内外曲轴磨削加工工艺发展趋势 J. 精密制造与自动化. 2013(01). 4 李海国，董宪英，侯爱清. 发动机曲轴制造工艺进展及敏捷柔性生产线J.现代零部件.2006(06). 5 胡文波. 曲轴车拉自动动平衡若干关键问题的研究D.武汉理工大学，2008. 6 马建辉，郭鹏. 基于 UG 和 ANSYS 的柴油发动机曲轴有限元分析J.中国农机化学报.2013(05). 7 李会. 考虑表面处理影响的曲轴强度研究D.大连交通大学，2012. 8 陈世通. 发动机曲轴加工工艺分析J.企业科技与发展，2012(14). 9 马迅,左远化. 曲轴的疲劳和模态分析J. 汽车研究与开发.2013(05). 金陵科技学院学士学位论文参考文献10 孙浩然. 浅谈曲轴的加工工艺J. 民营科技, 2014(11). 11 李莎. 基于 Pro/E 软件的柴油机曲轴三维建模J.时代农机.2015(11). 12 王惠露.发动机曲柄连杆机构结构分析D.重庆大学,2008. 13 刘喜军. 车用发动机曲轴运输包装优化研究D. 大连海事大学，2010. 14 蓝敏俐，杨开怀，魏喆良.复合淬火高性能 ADI 曲轴的研制J. 福建工程学院学报.2015(04). 15 李波. 4V75 柴油机曲轴系设计及 CAE 分析D. 湖南大学，2012. 致 谢本课题从 2017 年 11 月到 2018 年 5 月中旬，历经七个多月的时间完成。其最初的审题表、开题报告、大纲都是在智淑亚老师的悉心指导下完成的，这为研究这个课题奠定了坚实的基础。每个星期智淑亚老师都会给我们集中辅导，主要指出我们论文中出现的原则性错误与格式上的不规范。例如，最先我在做曲轴的设计计算部分时，因使用的公式错误，计算出来的施加于连杆轴颈表面的力高达六万多牛，在用 ANSYS 做有限元分析时，曲轴的最大变形量多达 1cm。我对这些结果没有概念，更不知道到底符不符合实际情况。智淑亚老师及时给我指出这个问题，后来我及时更换公式计算，最终得出一个更为负荷实际情况的结果。 到写本课题的后期，我遇到了一些问题，如 ANSYS 的使用与对位移变形图、等效应力云图、振型图的分析都得到了同学与老师的倾囊相助。