基于ANSYS的汽车发动机曲轴性能分析

基于ANSYS的汽车发动机曲轴性能分析

王鹏飞，王新凯

（山东科技大学交通学院山东青岛266590）

摘要：曲轴是汽车发动机中最重要、承受载荷最大的零件之一。曲轴的强度和刚度对发动机的性能有着重要的影响。利用SolidWorks建立了一个发动机的四缸曲轴模型，并将曲轴模型保存为（.xt）格式导入到有限元分析软件ANSYSWorkbench中，最后对曲轴模型进行了静力学和模态的分析。通过ANSYS研究曲轴的应力和应变，了解其固有频率，对于设计和优化曲轴的结构有重要意义。

关键词：发动机曲轴；ANSYS；有限元；静力学分析；模态分析

引言

曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。

1曲轴模型的建立

利用SolidWorks软件对曲轴进行了建模，对一些的结构做了相应的简化。所建立的曲轴模型为四缸发动机的整体式曲轴，共有有5个主轴颈，4个连杆轴颈及相关的曲柄和平衡重。主轴颈直径为60mm，长为60mm；连杆轴径直径为60mm，长为20mm。

代入相应的参数后进行计算，可得到发动机曲轴在爆发压力下受到的最大轴向力约为54500N。

根据在有限宽度的轴颈内应力的分布规律并忽略部分压力的突变，采用以沿轴线均匀分布，沿圆周方向120°范围内呈余弦分布的载荷边界条件。

图4等效应力图

由总的应变图知曲轴的最大应变量8.8694×〖10〗^(-6)m,发生在曲轴连杆中心。在z轴方向上最大应变量发生在曲轴连杆轴径与曲柄相连处及曲轴的配重处，y轴上最大应变量发生在曲轴连杆轴径与曲柄相连处。

图6曲轴的前14阶自由模态频率图

图8曲轴的前6阶约束模态频率图

结语

曲轴的强度影响着发动机系统的可靠性和安全性，本文通过ANSYS的静力学分析验证了曲轴的强度，检验了曲轴结构的安全性，找出了曲轴在的脆弱部位，模态分析对曲轴的固有频率做了求解，发动机的工作频率应避开曲轴的频率。为曲轴的设计提供了一定的参考依据。

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