摘 要

曲轴是发动机中最重要、承受载荷最大的零件之一。近年来随着时代的进步，对发动机的性能要求也越来越高，这就导致了曲轴的工作环境会越来越严酷。于是曲轴设计的关键目标就在于设计出在受到多种周期性变化载荷及惯性力的作用下，仍具有足够的强度和刚度及良好的静态、动态力学特性的曲轴。基于此，本文具体研究工作如下：

（1）根据曲轴真实尺寸数据，运用CATIA建模软件对六缸发动机曲轴进行建模，并使用Hypermesh有限元分析软件对模型进行静力和模态分析，得到两种分析下的变形图和等效应力云图，分析出曲轴易变形、应力集中的区域，为优化发动机曲轴提供理论基础，随后对得到的数据和图像进行分析，分析其形变量和应力大小是否合理，若不合理，则需要在结构上优化曲轴并得到优化后的数据结论。

（2）对曲轴进行了参数化建模以及有限元分析，从曲轴轴颈处的圆角入手，研究轴颈圆角大小对曲轴抗弯、抗疲劳能力的影响，从而得到较为合理的圆角尺寸。

（3）运用3D建模软件CATIA以及有限元分析软件Hypermesh，将参数化建模与有限元仿真相结合，这种方法可以有效地对曲轴进行优化改进，节省开发时间和成本，具有一定的理论意义和工程实用价值。

关键词：曲轴；参数化；有限元；模态分析；静力分析

Abstract

The crankshaft is one of the most important parts in an engine, which can bear the largest load. In recent years, with the progress of The Times, the engine performance requirements are getting higher and higher, which leads to the crankshaft work environment will be more and more harsh. Therefore, the key goal of crankshaft design is to design a crankshaft with sufficient strength and stiffness and good static and dynamic mechanical properties under the action of various periodic varying loads and inertial forces. Based on this, the specific research work of this paper is as follows:

(1) Modeling based on crankshaft real size data, using CATIA software modeling with six cylinder engine crankshaft, and using finite element analysis software Hypermesh model for static and modal analysis, get two under the analysis of deformation and equivalent stress nephogram, easy to analyze the crankshaft deformation and stress concentration areas, providing theoretical basis for optimization of the engine crankshaft, then analyze the data and image, analysis of the variables and stress size is reasonable, if not reasonable, you need on the structure optimization of the crankshaft and the optimized data conclusion.

(2) Based on the parametric modeling and finite element analysis of crankshaft, the influence of crankshaft journal fillet size on crankshaft bending resistance and fatigue resistance was studied from the Angle of crankshaft journal.

(3) Using 3D modeling software CATIA and finite element analysis software Hypermesh to combine parametric modeling with finite element simulation, this method can effectively optimize and improve the crankshaft and save development time and cost, which has certain theoretical significance and engineering practical value.

Key Words：crankshaft；parameterization；finite element；modal analysis；static analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 主要研究内容 4

第2章 曲轴结构设计 5

2.1 曲轴的动力学分析 5

2.2 曲轴的设计 6

2.2.1 曲轴的工作条件和设计要求 6

2.2.2 曲轴的结构型式 7

2.2.3 曲轴的材料 7

2.3 本章小结 8

第3章 曲轴的有限元分析 9

3.1 曲轴的有限元前处理 9

3.1.1 建立模型 9

3.1.2 网格划分 10

3.1.3 材料特性 10

3.2 曲轴的静力分析 11

3.2.1 载荷状况的确定 11

3.2.2 边界条件 12

3.2.3 静力分析结果 13

3.3 曲轴的模态分析 14

3.3.1 自由模态分析 15

3.3.2 模态分析结论 15

3.4 本章小结 17

第4章 对曲轴圆角应力的影响因素分析 18

4.1 曲轴圆角大小的影响 18

4.2 曲柄厚度的影响 19

4.3 曲轴材料的影响 19

4.4 本章小结 20

第5章 结论与展望 21

5.1 结论 21

5.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

众所周知，曲轴是发动机中相当重要的零部件，曲轴的作用是对外输出扭矩，将气缸做的功传递出去。理论、实践以及各种曲轴损坏的案例表明，汽车发动机曲轴的破坏形式主要是弯曲疲劳破坏。由此可以看出在曲轴工作的过程中，一直作用在曲轴上的、变化的弯曲应力对曲轴整体的影响很大，极有可能引起曲轴疲劳失效，引起一系列的连锁反应，如果不及时检查并维修，极有可能造成严重的后果，威胁到驾驶员以及行人的生命安全。所以对于整体式多缸机曲轴，需要比较准确地得到应力、变形的大小及分布情况，这对用于指导曲轴的设计和改进，提供了理论上的依据，具有重要意义^[1]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

国外对曲轴强度的试验以及研究工作较国内而言开始得较早，从上世纪30年代开始就已经有相关的研究论文的发布了，而其中多数论文主要研究的方向是飞机发动机曲轴的疲劳强度^[2]。

葡萄牙的Joao Gomes等人^[3]介绍了近25年来所报道的7起曲轴失效案例，并列举了几种失效原因。在此基础上，讨论了材料初始缺陷的影响，以及加载对曲轴的影响。应用雨流循环计数法确定了曲轴在工作过程中产生的应力循环，并利用应力寿命方程估算了曲轴的疲劳寿命。