摘 要

曲轴是发动机最重要的传动部件，动力通过曲轴转化并传递至整车。曲轴在工作过程中承受旋转质量惯性力与气体力的共同作用。由于结构复杂，受力情况复杂，导致曲轴内部应力分布不均匀，且由于曲轴受力周期性变化，会引起振动，如果振动频率接近结构固有频率会导致曲轴共振，破坏曲轴结构。因此获得曲轴在工作状态下的应力分布和振动模态参数对曲轴的设计具有积极的指导作用，避免曲轴因应力集中或共振导致结构提前被破坏。

本文在考察市面已有柴油发动机的相关数据后,对曲轴的尺寸、结构进行了符合市场需求的设计，并将设计的曲轴通过Creo进行了三维建模，使用ANSYS-Workbench建立曲轴有限元网格模型，对曲轴施加载荷添加约束进行了曲轴的静力分析，得到了曲轴内部的应力分布和形变云图，对危险工况的应力集中区域校核强度验证了所设计曲轴的可靠性。并对曲轴进行了自由模态分析和约束模态分析，得到了各阶振型图和固有频率，所得频率均高于曲轴基频，避开了共振频率区域，可以保证所设计曲轴在使用中不发生共振，并为曲轴后续的结构优化、动力分析提供了理论基础。

关键词：曲轴；静力分析；模态分析；固有频率

ABSTRACT

The crankshaft is the most important transmission part of the engine. The power is transferred to the whole vehicle through the crankshaft which bears the combined action of inertia force of rotating mass and gas force in the working process. the stress distribution in the crankshaft is nonuniform due to the complex structure and stress situation, and periodic change of the crankshaft stress will cause vibration. The crankshaft structure will be destroyed by resonance if basic frequency of crankshaft vibration is near to the structure natural frequency. Therefore, obtaining the stress distribution and vibration modal parameters of the crankshaft in the working state has a positive guiding role in the design of the crankshaft, so as to avoid the damage of the structure in advance due to stress concentration or resonance.

In this paper, after reviewing the data of diesel engines available on the market, The size and structure of the crankshaft are designed to meet the market demand, and built the model of designed crankshaft by Creo. ANSYS Workbench is uesd to build the finite element mesh model of the crankshaft . The static analysis of the crankshaft is carried out by adding constraints to the load applied on the crankshaft, and the stress distribution and deformation nephogram inside the crankshaft are obtained. The reliability of crankshaft has been proven by the static analysis which tested in the stress concentration under dangerous working conditions. The modal shapes and natural frequencies of each stage has been acquired by modal analysis of the crankshaft.And the frequencies obtained are higher than the basic frequency of the crankshaft, avoiding the resonance frequency area which means designed crankshaft will not cause resonance and provides a theoretical basis for the subsequent structural optimization and dynamic analysis of the crankshaft.

Keywords：crankshaft；Static analysis ；modal analysis ；natural frequency.

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1. 课题背景及研究意义 1

1.2. 国内外研究现状 1

1.2.1. 模态分析技术 1

1.2.2. 模态分析技术国内外研究现状 1

1.2.3. 曲轴模态分析国内外研究现状 2

1.3. 本文研究内容 3

第2章 柴油机结构参数及曲轴设计 5

2.1. 额定功率的选择 5

2.2. 发动机类型 5

2.2.1. 冲程数选择 5

2.2.2. 冷却方式 5

2.2.3. 汽缸数和排列方式 5

2.3. 基本参数 5

2.3.1. 行程缸径比与活塞平均速度的选择 5

2.3.2. 气缸工作容积V_S 缸径D的选择 5

2.4. 热力学计算 5

2.4.1. 热力循环参数的确定 5

2.4.2. 实际P-V图的绘制 6

2.5. 曲轴的设计 6

2.5.1. 曲轴材料选择 6

2.5.2. 曲轴结构设计 7

2.5.3. 曲轴销的直径和长度 7

2.5.4. 主轴颈直径和长度设计 7

2.5.5. 曲柄宽度和厚度 7

2.5.6. 平衡重设计 7

2.5.7. 油道设计及油孔位置 8

2.5.8. 曲轴两端的结构 8

2.5.9. 曲轴止推 9

2.5.10. 过度圆角 9

第3章 曲轴强度的校核 10

3.1. 动力学计算 10

3.1.1. 往复惯性力 10

3.1.2. 气体力 11

3.1.3. 合力 12

3.2. 曲柄销受力分析 13

3.3. 曲轴模型的建立 14

3.3.1. 1/2曲拐模型的建立 15

3.3.2. 曲轴前端、曲轴后端模型的建立 16

3.3.3. 曲轴模型整体装配 17

3.4. 模型导入与属性设置 18

3.4.1. 材料属性设置 19

3.4.2. 有限元网格划分 19

3.4.3. 载荷及约束的施加 20

3.4.4. 结果分析 21

3.4.5. 曲轴静强度校核 22

3.4.6. 曲轴疲劳强度校核 22

第4章 曲轴模态分析 25

4.1. 模态分析基本原理 25

4.2. 曲轴自由模态分析 25

4.2.1. 模型导入与材料属性设置 25

4.2.2. 划分有限元网格 26

4.2.3. 自由模态分析结果 27

4.3. 约束模态分析 30

4.3.1. 模型导入、材料设置与网格建立 30

4.3.2. 约束施加 30

4.3.3. 约束模态分析结果 30

第5章 总结与展望 35

5.1. 总结 35

5.2. 展望 35

致谢 36

参考文献 37

绪论

课题背景及研究意义

发动机自19世纪被发明，到如今发展为运输行业、工业机械的核心，已是衡量一个国家整体实力的指标。而柴油机由于其经济性好、扭矩大、热效率高等特点在汽车、农业机械、船舶等领域被广泛应用。随着人们对柴油机经济性、动力性、排放要求越来越高，柴油机整机的工作条件也越发苛刻，曲轴作为柴油机的重要传动部件，整体结构复杂，它的结构强度与疲劳强度很大程度决定了柴油机的可靠性与寿命长短。在柴油机工作时，曲轴将承受气体力，旋转质量惯性力及其力矩，曲轴内部应力分布不均匀，特别是在主轴颈和曲柄销过渡圆角及油孔容易引起应力集中现象。由于受力周期性变化，曲轴可能会发生复杂的扭转和弯曲振动，并且曲轴会将振动通过轴承传至柴油机其他部件，带来不良后果。如果振动频率接近曲轴固有频率，会引起共振，导致曲轴破坏甚至断裂。因此在柴油机的结构设计与优化中，对曲轴静、动态响应的研究具有重要的指导意义。

国内外研究现状

模态分析技术

模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用^[1]。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。对结构的模态分析方法可分为两类，一是试验模态分析，又称模态分析的实验过程，是通过将测量结构某些点的输入输出响应测量数据转换为频响函数进而确定结构的模态参数。另一种是计算模态分析，这种方法需要先知道结构的形状、边界条件、材料特性，把结构的质量、刚度、阻尼用矩阵表示成一个等式，对这个等式进行求解即可获得结构的模态参数。现在计算模态分析普遍采用有限元软件进行对所需结构进行模拟，通过将三维模型导入并施加约束，求得结构的模态参数。有限元模态分析具有自动计算、过程可重复、振型直观可视等优点，试验模态分析具有准确、真实的优点，因此可以将这两种方法结合，取长补短，将试验模态分析的结果用于修正有限元模型的不足之处，可以更加真实地模拟出结构的动态响应，用以后续对结构的优化。

模态分析技术国内外研究现状

模态分析技术的概念最早出现于20世纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。在当时的背景下，相关电子技术不够发达，因此模态分析技术止步不前。一直到60年代末期间，许多学者提出了新的模态数据识别方法，但主流仍是离散稳态正弦激振方法。随后随着电脑技术及检测技术的革新，FFT数字式动态测试技术得到了硬件支持，模态分析技术至此诞生，一经问世便在多个机械工程领域获得了推广与应用。

至此，模态分析技术引起了我国部分学者注意，一九七八年，我国机械行业开始召开有关模态分析技术、知识交流学术会议，名为机械阻抗技术交流会议，每两年举行一次，此会为我国模态分析技术的发展提供了一个平台^[2]。