概念设计阶段曲轴强度计算规范

1、1 cae 规范第 1 部分：概念设计阶段曲轴强度计算1 范围本部分规定了曲轴曲柄销圆角、主轴颈圆角强度的校核方法。本部分适用于概念设计阶段曲轴强度的校核，以安全系数表示曲轴在发动机产品生命周期内的安全裕度。对船用发动机，需同时采用船检规范进行校核。2 名称、符号11lj/2| | lp| lj/2| ddplj/2lp11lj/2图 1 曲轴单拐截断简支梁模型示意图表-1 曲轴强度计算参数序号名称符号单位1 连杆质量rodmkg 2 活塞组质量pstmkg 3 曲柄半径rmm 4 连杆长度lmm 5 缸套内径dmm 6 曲柄销直径pdmm 7 曲柄销长度plmm 2 8 主轴颈直径jdmm

2、9 主轴颈长度jlmm 10 连杆大头轴瓦宽度pslmm 11 曲轴主轴瓦宽度jslmm 12 曲柄销凸台厚度pmm 13 主轴颈凸台厚度jmm 14 曲柄销圆角凹入深度ptmm 15 主轴颈圆角凹入深度jtmm 16 曲柄臂厚度hmm 17 曲柄臂宽度bmm 18 转速nrpm 19 最大爆压gpmpa 3 计算流程3 图 2 流程图4 计算原理曲轴的设计基于对高应力区域的疲劳安全进行评估。本规范中的计算基于以下假定：曲柄销圆角、主轴颈圆角为高应力区域；曲拐简支在主轴颈上且各曲拐相互独立，可简化为截断简支梁模型；曲柄销、主轴颈支反力以轴向抛物线、 径向 120 余弦分布作用在曲柄销、 主轴颈

3、上；弯曲应力是引起曲轴破坏的主要因素，输出扭矩产生的影响很小，可以忽略不计。5 计算工况对长期稳定工作于额定转速的发动机，以全负荷工况为计算工况； 对在大转速范围内工作的发动机，以最大扭矩工况为计算工况；对船用发动机，以超负荷（110%负荷）工况为计算工况。通常，一个工作周期内， 由燃气压力和惯性力引起的作用在曲柄销上的径向载荷对所有曲柄位置都应计算。简单起见，径向力可以采用简化计算，并只计算一个工作周期内的最大受拉和最大受压两种状态。曲柄销载荷主轴颈支反力工作弯矩曲轴几何模型截断简支梁模型fea模型等效抗弯截面模量有限元应力名义弯曲应力理论应力集中系数有效应力集中系数安全系数合格敏感系数屈服

4、极限表面处理尺寸影响修改设计，重新计算计算结束是否扭振修正疲劳极限应力幅值平均应力4 6 曲轴载荷6.1 曲柄销载荷曲柄销载荷以轴向抛物线、 径向 120 余弦分布的分布力作用在曲柄销上，作用范围为连杆大头轴瓦宽度，其大小按以下公式计算：图 3 曲柄销载荷23cos)41(25),(22pspsppplxldfxq式中：pf：作用在曲柄销上的径向载荷，n；pf可按曲柄连杆动力学或多体动力学计算得到，对 v 型机，pf应考虑不同的相位和连杆设计（分叉连杆、连接连杆、并列连杆等）分别计算与合成。6.2 主轴颈支反力主轴颈支反力以轴向抛物线、 径向 120 余弦分布的分布力作用在主轴颈上，作用范围曲

5、轴主轴瓦宽度，其大小按以下公式计算：5 图 4 主轴颈支承反力23cos)41(5),(22,jsjsjkjkjlxldfxq式中，kjf,（2, 1k） ：左右主轴颈上的支承反力，其值按以上分布载荷形式采用简支梁计算公式计算， n。6.3 计算截面上的弯矩按照单个曲拐所受分布载荷计算图1 中的 1-1 截面的工作弯矩。7 等效抗弯截面模量7.1 内凹圆角对于把过渡圆弧移到曲柄里的曲轴沉割圆角，1-1 截面示意图如图5，则6 图 5 1-1 截面（内凹圆角）示意图等效抗弯截面模量：曲柄销圆角：ppyiw1；主轴颈圆角：jjyiw1。7.1 非内凹圆角对于一般的非内凹圆角， 1-1 截面示意图如

6、图6，则7 图 6 1-1 截面（非内凹圆角）示意图等效抗弯截面模量：曲柄销圆角：ppyiw1；主轴颈圆角：jjyiw1。式中：1i：截面相对于中性轴1 的惯性矩， mm4；py：曲柄销圆角相对于中性轴1 的距离， mm；jy：主轴颈圆角相对于中性轴1的距离， mm；8 名义弯曲应力名义弯曲应力：wmn,则：曲柄销圆角：pnwm；8 主轴颈圆角：jnwm。9 疲劳缺口系数疲劳缺口系数描述应力集中现象使零件疲劳强度降低的程度。9.1 有限元计算9.1.1 fea 模型几何模型：建议采用单拐模型，完全对称曲拐可采用1/4 单拐模型；保证过渡圆角、曲柄销、主轴颈、曲柄臂几何尺寸的正确性。网格密度：曲

7、拐中应力集中区域和关注区域网格应相对较密；曲柄销、主轴颈过渡圆角处网格层数不低于5 层，建议 5-12 层；非关心区域单元尺寸可相对较大。网格单元：曲拐中应力集中区域和关注区域单元质量应相对较好；单元类型建议采用六面体二阶单元或四面体二阶单元，禁止使用四面体一阶单元。9.1.2 载荷、边界条件曲柄销载荷、主轴颈载荷均为5 曲轴载荷中所述最大载荷情况的分布载荷。在曲拐上变形较小位置选取部分节点（410 个）接地弹簧约束以消除截断误差而正常求解。若采用 1/2 或 1/4 单拐模型，则应在相应剖分面上建立法向对称约束。9.1.3 结果变形：曲拐为轴向弯曲变形，可通过此变形情况初步检验模型正确性。应

8、力：曲柄销圆角处，选取最大主应力的最大值计算应力集中系数；主轴颈圆角处，选取最小主应力的绝对值最大值计算应力集中系数。9.2 理论应力集中系数max,maxn式中，：理论应力集中系数；max：为有限元计算所得的最大应力值，mpa；m ax,n：为名义应力最大值， mpa。9 9.3 疲劳缺口系数的计算)1(1qk式中：k：疲劳缺口系数q：材料的敏感系数，其取值可以参照表-2 选取1 。表-2 材料敏感系数q的统计均值（旋转弯曲疲劳试验）材料热处理b/mpa 应力比r理论应力集中系数敏感系数均值q敏感系数的标准离差qs45 钢850正火576624 -1 2 0.4811 0.0116 40cr

9、 850油淬，560回火854940 -1 2 0.6727 0.0343 42crmo850油淬，500回火1134 -1 2 0.6094 0.0139 qt700-2 球铁900正火754 -1 2 0.6059 0.0303 qt800-2 球铁900正火858 -1 2 0.7109 0.0390 10 安全系数10.1 疲劳极限线图| | -(图 7 钢曲轴疲劳安全极限线图10 -图 8 球铁曲轴疲劳安全极限线图图 7 和图 8 为本部分中安全系数计算采用的疲劳安全极限线图。各参数意义如下：b：材料的抗拉强度， mpa；s：材料的屈服极限， mpa；1：材料的疲劳极限， mpa；2

10、min,max,nna：应力幅值， mpa；2min,max,nnm：平均应力， mpa。10.2 安全系数计算对钢曲轴，n、sn两个安全系数计算公式如下：0m时：matgkn1；amssn。0m时：11 akn1；amssn。对球铁曲轴，n、sn两个安全系数计算公式如下：0m时（仅计算n）：makkn1。0m时：akn1；)(ambsn。其中：n：疲劳安全系数；sn塑性安全系数；)(2111btg；b1：不对称循环影响系数；：尺寸影响系数， mpa；钢曲轴可采用公式14. 010d计算，球铁曲轴则应乘上0.850.9的分散因子。：表面质量系数， mpa；可参照表 3 选取2。表 3 表面质量系数12 表面强化方法结构钢球墨铸铁模锻曲轴1.10 - 滚压圆角1.201.70 1.501.90 氮化1.30 1.30 圆角淬火1.302.00 - 喷丸1.301.40 - 上述安全系数计算没有考虑曲轴输出扭矩和扭转振动的影响，在概念设计阶段， 可用参数d来考虑曲轴扭振的影响，即安全系数：)/(/dsdnnn式中，d为动力影响系数，可由表4 查得2。表 4 动力影响系数10.3 许用安全系数许用安全系数应当依据计算方法、计算精度、工艺水平、材料性质等具体情况并参考同类型先进发动机的曲轴强度计算数据确定。按照上述计算方法，对于