发动机曲轴连杆装配疲劳强度有限元分析

    0 引言

    为了提高发动机各零部件设计的成功率减少研发成本，在概念设计阶段采用CAE技术对设计方案进行各项指标的校核，已经成为发动机研发过程中必不可少的环节。在发动机运行过程中，由于连杆承受交变载荷而易导致疲劳失效，这一问题已经引起关注。王远等基于有限元法和AnsysWorkbench对曲轴连杆进行了疲劳强度分析，但是文章中没有涉及是如何处理滚珠轴承和滚针轴承这类复杂的接触问题。

    本文以某款单缸发动机曲轴连杆装配机构的疲劳强度分析为例，阐述了通过非线性弹簧和质量点的方式简化复杂的滚珠轴承和滚针轴承接触问题，并建立了发动机曲轴连杆装配机构的有限元分析方法和通过DangVan准则分析发动机旋转机构的疲劳安全因子，从而为发动机旋转装配机构的安全可靠性设计提供改进的思路。

    1 有限元模型建立

    建立发动机整个旋转装配有限元模型，包括曲轴、连杆、活塞、活塞销、曲轴销等。整个计算模型对称，为了减少计算量，只建立一半模型。二阶四面体单元，总节点数145661个，单元数89544,接触单元采用点点接触。模型只用于计算上止点或下止点时刻的受力情况。整个建模思路是应力集中点附件网格细化，用尽量少的计算网格求解较精确的计算结果。具体的曲轴连杆装配机构的有限元模型如图1所示。

    图1 发动机曲轴连杆装配有限元模型

    2 非线性连接处理

    部件间连接在有限元处理中非常关键，尤其是非线性接触部分的定义，对整个模型不仅是计算量的影响，而且对计算结果的准确性也有影响。下面分别介绍本例中用到的接触定义和滚珠轴承的简化处理。

    2.1 接触定义

    计算整个装配中发动机活塞和活塞销间间隙7μm配合，连杆小头和活塞销间间隙12μm配合。曲轴销和曲轴间过盈105μm，曲轴和滚珠轴承间过盈50μm，摩擦系数0.12。

    2.2 滚珠和滚针轴承接触简化计算

    滚珠轴承和滚针轴承模型如果按照三维模型接触定义加载，会导致整个计算量非常大而且较难收敛。曲轴和发动机箱体间的滚珠轴承如图2,根据刚度公式简化为非线性弹簧和质量点。曲轴销和连杆大头之间的滚针轴承如图3所示，也根据机械设计手册滚针轴承设计公式简化为非线性弹簧和质量点。

    曲轴和箱体间的滚珠轴承包含8个滚珠，滚珠直径D为8mm，游隙G为20μm，径向相对位移的计算公式为：

    图4 滚珠轴承刚度随径向位移变化曲线

    曲轴销和连杆大头间的滚针轴承包含16个滚针，滚针长度L为12.5mm，游隙G为10?m，径向相对位移的计算公式为：

    根据轴承刚度随径向位移的变化曲线，可以得到刚度变化曲线，填入到有限元软件的非线性弹簧参数中，并在每个弹簧的首末以及中间位置定义三个质量点，这样就简化定义好滚珠和滚针轴承连接了。

    图5 滚针轴承刚度随径向位移变化曲线

    3 材料参数与分析工况

    模型的材料特性和分析工况，对整个仿真分析结果影响较大，具体的材料参数和分析工况如下描述。

    3.1 材料参数