曲轴自由端功率输出强度分析.pdf

40与车辆2023年第3期移动电源曲轴自由端功率输出强度分析刘刚，康勇，马马帅，张康新，高5山（山西柴油机工业有限责任公司，大同，0 37 0 36）摘要：本文在采用曲轴最小许用直径的计算公式的基础上，反向推算出某柴油机自由端功率输出能力，再据此进行曲轴两端功率分配，根据分配结果开展分析、计算、校核，判断曲轴的安全系数，与一端输出工况进行对比，结果较为接近，强度满足要求。关键词：柴油机；曲轴；自由端；强度；分析Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.03.009中图分类号：TK42文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-42 50（2 0 2 3）0 3-0 0 40-0 51引言为满足用户对某1 6 V柴油机自由端进行功率输出的使用需求，同时确定该柴油机自由端最大功率输出能力，并评估校核曲轴在该功率条件下的强度情况。2计算内容及方法当柴油机自由端输出功率时，由于该曲轴自由端直径相对其它轴颈直径较小，所以先采用中国船级社钢制海船入级规范所规定的曲轴最小直径校核方法进行反向计算，此计算方法假定曲轴的破坏是由于作用在它上面的最大弯矩（弯曲应力）及最大扭矩（压应力）的综合作用所引起的，因此按此强度理论把最大弯矩和最大扭矩（均乘以相应的应力集中系数）合成为当量最大弯矩，结合材料的疲劳强度及应有的安全系数推导出曲轴所需的最小直径计算公式。曲轴输出的最大应力区在自由端输出轴颈与其相连接主轴颈的过渡圆角处，如图1 所示，根据已知的曲轴最小直径计算出承受爆发压力及对应的输出功率，实际此处所受弯曲应力较小可以忽略，按此方法计算多考虑了弯曲应力，偏于保守。图1自由端输出轴颈在柴油机使用过程中，由于曲轴自由端增加了负载，此时自由端输出功率和动力输出端输出功率共同分配其总功率，同时自由端在不同输出功率下曲轴所受扭矩不同。因此本次分析评估的主要步骤为：（1）根据曲轴两端不同的功率分布，手工计算曲轴动力输出端、曲轴自由端所受扭矩；（2）利用有限元分析方法，对柴油机曲轴两端输出不同功率时所受到的应力进行有限元计算；（3）通过计算在该功率分布下应力的大小，完成曲轴的强度校核；（4）根据计算所得扭矩对曲轴进行有限元分析，求取曲轴应力分布；（5）根据曲轴应力分布对曲轴进行强度校核。核41与车辆移动电源2023年第3期3柴油机扭矩分配计算3.1柴油机曲轴的主要结构参数柴油机曲轴的主要结构参数见表1。表1柴油机曲轴主要结构参数主要结构参数名称数值（mm）曲柄半径R92.5曲柄臂厚度35.8主轴颈直径141主轴颈长度56.4连杆轴颈直径105自由端直径?95连杆轴颈长度9832（主轴颈)、43、减重孔直径31度斜孔（连杆轴颈）曲臂厚度40.3曲臂宽度183轴颈重叠量30.5轴颈和曲柄臂过渡圆角半径R6过渡圆角的处理中频火曲轴材料34CrNiMo6平衡重半径R197.3平衡重宽度432个M221.5，长1 40 螺平衡重安装方式栓连接，螺栓距离8 0平衡重、平衡重螺栓材料42CrMo主轴瓦宽度42主轴瓦厚度4.5曲轴采用34CrNiMo6，弹性模量为2 0 4GPa，泊松比为0.3，密度为7.8 51 0 kg/m。3.2计算过程及路线计算过程采用静力学分析方法对曲轴两端承受不同扭矩的工况进行分析，分析流程如图2 所示。曲轴两端扭矩计算柴油机曲轴模型建立有限元分析使用寿命分析图2分析流程采用发动机曲轴最小许用直径Dp的计算公式，对比曲轴实际尺寸判定曲轴自由端输出扭矩。DAaPz(L-Lp)+CarP,s,3Dp=.(1)65x(Rm+160)560式中：L一一相邻两主轴承中心线间的距离；Lp一一由曲柄销长度；Pz一气缸最大压力；Pi平均指示压力；Rm材料抗拉强度；A一一系数；由表查得A=0.665;C一一系数；由表查得 C=4.455;B弯曲应力集中系数；B=0.625 f,(r)f,(w)f;(exw)f,(b)f,(dH)=0.625X3.16X0.326X11.8X0.42X1.04=3.31其中，由表查得f,(r)=3.16，f,(w)=0.32 6,Js(ekw)=11.8,f(b)=0.42,f,(dh)=1.04,T=1.66计算：r=RH/Dp=0.06W=W/Dp=0.38ek=1-E/Dp=0.7dH=D BH/Dp=0.4S=Tu/Dp=0经计算得知，仅自由端输出时，气缸最大压力1 0.2 MPa，平均指示压力0.9 1 2 MPa，曲轴自由端负载功率9 0 0 kW。在柴油机总功率2 2 40 kW时曲轴输出端可分配到的输出功率为1 340 kW，根据发动机曲轴有效功率（Pe，k W）、扭矩（Te，Nm）、转速（n，r p m）之间的计算公式：Te:nP(2)e9550计算得到曲轴自由端输出扭矩为42 9 7.5Nm，输出端扭矩为6 39 8.5Nm。4某柴油机曲轴有限元计算校2023年第3期与车辆42移动电源以曲轴产品图样为模型建立依据，曲轴两端分配到的输出功率及扭矩作为柴油机曲轴有限元计算校核的输入及边界条件，开展实体模型建立、网格划分、有限元计算。4.1实体模型建立建立柴油机曲轴模型如图3所示：图3曲轴实体模型根据有限元计算简化准则，对实体模型进行一定的简化处理：（1）简化曲轴倒圆、倒角；（2）简化曲轴平衡重安装孔；最终得到柴油机曲轴如图4所示：图4简化后的柴油机曲轴4.2有限元模型建立4.2.1网格划分有限元模型的所有实体部分，均采用四节点四面体单元。曲轴网格模型如图5所示。图5曲轴网格模型划分有限元网格采用C3D4（四节点线性四面体单元）划分，共计58 0 1 0 5个，其中0%个错误网格，0%个警告网格，网格适应性分析通过，可以用于有限元计算及强度分析。4.2.2边界条件及载荷曲轴在轴承座孔内绕曲轴主轴颈中心线做周向转动，因此需要约束主轴颈U1、U 2、U 3、U R 2、UR3五个自由度。曲轴在自由端与动力输出端受到不同扭矩载荷，因此使用两个参考点分别与自由端端面以及动力输出端端面进行耦合，并在参考点上施加扭矩载荷。位移边界条件如图6 所示，载荷边界条件如图7 所示。图6曲轴位移边界条件动力输出端自由端图7载荷边界条件4.3有限元计算结果柴油机曲轴两端输出不同功率时的曲轴应力分布如图8 所示：S,Mises(Avg:75%)72:90666.83160.75554.68048.60442.52936.45330.37824.30218.22712.1516.0760.000图8曲轴应力分布当曲轴自由端输出9 0 0 kW功率、动力输出端输出1 340 kW功率时，曲轴所受最大应力为43与车辆移动电源2023年第3期72.906MPa，位于曲轴自由端根部。动力输出端应力分布均匀，约为42.52 9 MPa，杆身未见明显得应力分布。自由端局部放大、动力输出端局部放大如图9、图1 0 所示。S,Misess,Mises(Avg:75%)(Avg:75%)60.75554.68048.604121516:0760.000图9 自由端应力分布图1 0 动力输出端应力分布可以看到当曲轴两端功率分布不均匀时，自由端整体应力水平大于动力输出端，这是由于动力输出端直径大于自由端，且整体长度小于自由端，由于尺寸效应的存在使得动力输出端平均应力小于自由端。采集自由端、动力输出端根部的周向应力曲线如图1 1、图1 2 所示：757065605550060120180240300360Angle()图1 1自由端根部周向应力分布65605550060120180240300360Angle()图1 2动力输出端根部周向应力分布8075706560555045060120180240300360Angle()图1 3自由端和动力输出端根部周向应力分布对比图通过图1 3可以看出，动力输出端根部应力分布较为均匀，仅在2 1 0 2 40 之间出现了峰值，但自由端应力分布跳度很大，应力52.34MPa72.96MPa。4强度校核曲轴的材料为34CrNiMo6，其抗拉强度ob为980MPa,根据0.1=2 ob(10)0.14，得到材料对称循环疲劳强度o.,=352.56MPa，o.1 为考虑安全系数n后的设计极限，o.=，根据资料，在同时考n虑弯曲及扭转应力时，安全系数的取值范围n=1.52.5，在此取n=2.5（用此值计算偏安全），所以-,=1 41.0 2 MPa，根据有限元计算结果，功率在曲轴两端分配时的最大应力为7 2.9 6 MPa，远小于许用扭转应力，此时的安全系数n=1.93，安全系数大于1，可以认定，该功率分布下的曲轴工作安全，符合设计要求。柴油机所有功率由输出端传递时，按相同安全系数的取值范围，经计算连杆轴颈过渡圆角处产生的扭转应力应力为7 7 MPa，此时的安全系数n=1.83，与自由端应力及安全系数较为接近。5结论（上接第2 7 页）（上接第2 2 页）.-.44与车辆2023年第3期移动电源在该柴油机曲轴自由端输出9 0 0 kW、动力输出端输出1 340 kW的工况时，该曲轴受到的最大应力为7 2.9 6 MPa，位于曲轴自由端根部，该工况下的安全系数为1.9 3，符合设计要求，此时曲轴自由端应力及安全系数与柴油机所有功率由输出端传递时相比结果较为接近，安全系数稍大，相对保守，按此方法进行自由端输出能力分配及评估较为合理，具有一定参考意义。参考文献：1中国船级社，钢质海船入级规范2 0 1 8 版.2 邓江华，冯国胜柴油机曲轴的静、动态有限元分析及校核，石家庄铁道学院，2 0 0 5.作者简介：刘刚（1 9 8 0-），男，山西大同人，高级工程师，大学本科，主要从事发动机设计。Power Output Strength Analysis of Crankshaft Free EndLIU Gang,KANGYong,MA Shuai,ZHANG Kang-xin,GAO Shan(Shanxi Diesel Engine Industry Co.,LTD.,Datong037036,China)Abstract:In this paper,on the basis of the calculation formula of the minimum allowable diameter of the crankshaft,the freeend power output capacity of a diesel engine is reversely calculated,and then the power distribution of both ends of the crankshaft iscarried out according to the distribution results of analysis,calculation,check,judge the safety factor of the crankshaft,and one endof the output conditions are compared,the results are close,the strength meets the requirements.Keywords:diesel engine,Crankshaft,A free end,Strength,analysisZHANG Hong-zhong,YANG Shu-bai,REN Xiao-jun(National Internal Combustion Engine Generator Set Quality Inspection and Testing Center,Lanzhou730050,China)Abstract:Through the analysis of the factors affecting the adaptability of low noise power station to high temperatureenvironment,The design research and test verification are carried out from the two dimensions of design and test,and the idea ofnoise suppression,Power loss reduction and reliable operation of low noise power station under high temperature environment isproposed,and the test and verification work is carried out.Keywords:Low noise power station,High temperature,Environmental adaptability,Research and verificationactual test,and then grasp the real cost of the battery test(including life test)of the laboratory,on the one hand,it can occupy afavorable position in the increasingly competitive battery testing market,on the other hand,it also responds to the call of the nationalenvironmental protection and energy conservation policy.This paper clearly puts forward the method of energy consumption controland management of battery laboratory,which is not only about experience sharing,but also has practical significance.Keywords:EV battery,Battery life test,Energy consumption control,Energy saving and emission reduction,Laboratory costcontrol