摘 要

由于社会不断地在进步，人们对汽车的要求也越来越高，发动机越来越往高功率，高扭矩发展，作为发动机的主要零部件，曲轴也随之需要有良好的强度及抗疲劳能力。合理的曲轴，对发动机的紧凑性、耐久性、可靠性及经济性都起到了一个至关重要的作用。需要有一个简单的方法研究去分析我们的曲轴的强度、用料及抗疲劳能力是否合理，所以主要运用CAD软件对曲轴进行三维建模，然后用CAE软件对建好的曲轴模型进行静力分析以及疲劳分析，这种用计算机进行有限元分析的方法代替了传统的实际实验及经验公式，快速又有效的分析出了曲轴的强度及抗疲劳能力，且最大限度上的节约了成本及人力。所用CAD软件是CATIA，其中一个最大的难点是对凸台圆弧面的切割,所用的CAE软件是ANSYS Workbench。先是对曲轴进行了网格的划分和材料选取，然后对它施加了载荷及约束，最后插入疲劳工具。分析出曲轴总的变形、各部位受到的应力以、曲轴的疲劳循环寿命次数、损坏云图以及安全系数。最后对分析出来的结果进行讨论与分析及改进。

关键词：曲轴受力分析；有限元分析；CATIA建模；静力分析；疲劳分析

Strength and Fatigue Analysis of Automotive Engine Crankshaft Based on CAD/CAE

ABSTRACT

With the continuous developments of society, the needs for cars are bigger. Engines are developing quickly，which towards high power and high torque. As the main parts of engines, crankshafts also need good strength and fatigue resistance. If the crankshaft is reasonable, it can play a important role in the compactness, durability, reliability and economy of the engine. We need a simple method to analyze the strength, material and fatigue resistance of our crankshaft. Therefore, the main content of this diploma project is to use CAD software to build the three-dimensional model of crankshaft, then we use CAE software to make the static and fatigue analysis of the crankshaft model. We now use finite element analysis instead of traditional methods. It can analyse the strength and fatigue resistance of crankshaft quickly and effectively, what not only save time but also labor. The CAD software I use CATIA to make the model, one of the biggest difficulties is to cut the arc surface of the convex platform. And the CAE software is ANSYS Workbench, I divide the grid of crankshaft, and then impose load and constraints on it. The total deformation of the crankshaft, the stress on each part and the safety factor of the crankshaft are analyzed. Finally,I discuss and analyze the analysis results.

Key words：Crankshaft Force Analysis; Finite Element Analysis; CATIA Modeling; Static Analysis; Fatigue Analysis

目 录

1 绪论…………………………………………………………………………1

1.1 研究背景及研究意义……………………………………………………1

1.1.1 研究背景…………………………………………………………1

1.1.2 研究目的及意义…………………………………………………1

1.2 国内外研究现状…………………………………………………………2

1.2.1 有限元法研究现状………………………………………………2

1.2.2 疲劳问题的研究现状……………………………………………3

1.3 研究内容…………………………………………………………………3

2 曲柄连杆机构受力分析和失效形式………………………………………5

2.1 曲柄连杆机构结构介绍…………………………………………………5

2.1.1 活塞的结构及工作原理………………………………………………5

2.1.2 连杆的结构及工作原理………………………………………………5

2.1.2 曲轴的结构及工作原理………………………………………………5

2.2 曲柄连杆机构的受力分析………………………………………………6

2.2.1 活塞的受力分析………………………………………………………7

2.2.2 曲轴和连杆的受力分析………………………………………………9

2.3 曲轴的失效形式和失效机理……………………………………………10

3 曲轴的建模及静力分析……………………………………………………………11

3.1 曲轴的三维建模………………………………………………………………11

3.1.1 CATIA软件介绍………………………………………………………11

3.1.2 曲轴的结构参数及绘制过程……………………………………………11

3.2 曲轴的有限元模型建立…………………………………………………………12

3.2.1 ANSYS软件介绍………………………………………………………12

3.2.2 模型导入…………………………………………………………………13

3.2.3 网格划分…………………………………………………………………13

3.2.4 材料选取…………………………………………………………………13

3.3 曲轴的静力分析………………………………………………………………12

3.3.1 施加载荷及约束…………………………………………………………15

3.3.2 静力分析结果……………………………………………………………18

3.3.3 静力分析强度校核……………………………………………………20

4 曲轴的疲劳分析………………………………………………………………21

4.1 曲轴疲劳分析的定义和目的…………………………………………………21

4.2 疲劳强度的影响因素…………………………………………………………21

4.3 曲轴疲劳分析过程和步骤……………………………………………………22

4.4 曲轴疲劳分析的结果…………………………………………………………24

4.4.1 曲轴整体疲劳分析………………………………………………………24

4.4.2 曲柄及连杆轴颈连接处疲劳分析………………………………………26

4.4.3 曲柄及主轴颈连接处疲劳分析…………………………………………28

4.4.4 连杆轴颈上油孔的疲劳分析……………………………………………29

4.5 2Y发动机曲轴改进…………………………………………………………31

5 全文的总结和展望…………………………………………………………………32

5.1 全文总结………………………………………………………………………32

5.2 创新点…………………………………………………………………………32

5.3 研究展望………………………………………………………………………32

致谢…………………………………………………………………………………34

参考文献…………………………………………………………………………………35

1 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.1.1 研究背景

距离卡尔本茨创造出世界上第一辆三轮汽车已经有130多年的历史了，随着社会不断地进步，人们对汽车的要求也越来越高，汽车也在逐步地完善。随着我国近几十年来经济不断地发展，汽车迅速的进入中国普通家庭，几乎成为人们不可缺少的交通工具。2018年，中国机动车驾驶人超4亿，小汽车保有量超2亿。近几年，随着人们对资源有限这个概念的了解以及新能源汽车的发展，在国家的扶持下，新能源汽车也渐渐的进入大马路，靓丽的绿牌进入眼帘。在不久的未来，新能源汽车可能成为大马路上的主力军。

1.1.2 研究目的及意义

随着工业不断地发展，人们对汽车的性能及舒适度的追求，发动机的转矩和功率也不断地需要提高。曲轴是发动机里面的主要部件之一，汽车缺少它就像人缺少食物，无法运转，高功率，高扭矩不断地冲击曲轴，使得曲轴的强度也必须的到提升^[9]。曲轴的作用是将活塞连杆传来的力，转换成绕着曲轴的力矩，然后将转矩传输到飞轮上供汽车行驶。在汽车行驶过程中，活塞受到汽油燃烧后的压力，传输到曲轴，曲轴受到连杆传来的不断地周期性的压力及离心力还有气体的冲击力，使得曲轴曲柄销不断地受到力的周期性冲击与磨损。所以曲轴需要有良好的强度和抗疲劳能力，表面要的材料需要有足够的耐磨性。而且它对发动机的结构是否合理、工作一段时间后是否牢固可靠以及发动机的制造成本都有着非常大的影响，合理的曲轴可以使发动机的制造成和牢固性都得到一个质的飞跃。以前对零部件性能的研究都是用简单的实际模型和人们之前积累的经验解决的，既耗时又费力，还十分的不准确。随着计算机的发展，人们逐渐用计算机仿真模拟代替了传统的实验，本课题用到的有限元分析就很好的模拟分析出了曲轴的强度及抗疲劳能力。运用计算机对曲轴进行分析不仅节省人力物力，并且最大限度上的缩短了研究所需要的时间^[9]。

这次研究用CATIA软件绘制发动机曲轴的三维模型后转换为igs格式导入ANSYS Workbench 软件，根据汽车实际行驶下的工作情况，在相应载荷和约束情况下对曲轴的强度和抗疲劳能力进行有限元分析，最后运用概率统计方法，对曲轴疲劳强度进行了可靠性分析和可靠度计算。从而为分析发动机曲轴的失效模式和失效机理提供参考。