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论文所属行业：汽车

Abaqus在平分式缸体主轴承座强度分析中的应用

冉绍辉，官磊，曾庆强，贾正锋

(重庆长安汽车股份有限公司动力研究院重庆市401120)

摘要：采用Abaqus有限元计算软件，对某型汽油机平分式缸体主轴承座强度进行数值模拟，考

虑主轴瓦EHD载荷、螺栓轴力和温度场，对缸体、镶块和主轴瓦进行疲劳强度分析。结果表明，

上缸体主轴承座和曲通区域应力较大，疲劳安全系数较低。下缸体虽然承受载荷较大，产生的应

力大，但是整体刚度高，疲劳安全系数较高。镶块直接与主轴瓦接触，承受载荷较大，在主轴承

座区域应力相对较大。主轴瓦承受曲轴传递的载荷，轴瓦背部应力较大，且下轴瓦平均应力大于

上轴瓦平均应力。

关键词：缸体；主轴承座；有限元；疲劳

1前言

发动机缸体承受周期性交变复杂作用力，包括气体作用力、活塞曲轴质量惯性力、活塞侧

推力，和摩擦力等，易产生疲劳效应。刚度不足的危险区域有可能会生成疲劳裂纹，裂纹若继续

扩大甚至会引起缸体开裂，造成发动机报废。缸体主轴承座区域综合受力最大，合力通过主轴瓦

和主轴承座螺栓传递到主轴承座上，主轴承座和曲通孔区域易发生疲劳。为保证发动机可靠性，

缸体必须具备足够的刚度。主轴瓦所受载荷利用Abaqus软件进行弹性流体动力学EHD(Elasto

hydrodynamic)有限元分析，得到载荷沿主轴瓦分布结果。本文将主轴瓦载荷加入到缸体主轴承

座强度仿真计算中，对缸体疲劳、镶块强度，和主轴瓦强度进行分析。

2分析模型

2.1缸体模型

本次分析以长安汽车公司某型四缸发动机平分式缸体为例，发动机缸体装配体包括：上缸

体、下缸体、缸套、镶块、主轴瓦、缸体连接螺栓、主轴承座螺栓，及定位销。在第三主轴承座

中心建立直角坐标系XYZ，其中X轴方向为缸体前端指向后端，Z轴方向为缸体底端指向顶端。

缸体装配示意图如图1所示，缸体爆炸示意图如图2所示。

图1缸体装配示意图图2缸体爆炸示意图

上、下缸体材料均为铝合金，铝合金缸体具有导热性好、重量轻等优点，在小排量发动机

中得到广泛应用。缸套、镶块、轴瓦、螺栓和定位销材料均为高强度钢。本文中各零部件基本力

学材料参数见表1。

表1.基本力学材料参数表.

部件材料名称

弹性模量

E/GPa

泊松比

缸体AlSi9Cu3730.31

镶块QT6001710.28

缸套GJL2501120.25

主轴瓦、螺栓、定位销Steel2050.3

分析中为提高分析精度，各零部件均应考虑材料弹塑性性能，以及不同温度条件下的材

料力学性能。

2.2有限元模型

在进行有限元计算前，需对分析模型进行网格离散化前处理。本次分析中，主轴瓦、缸套、

螺栓和定位销结构较简单，均采用一阶六面体网格划分，平均尺寸控制在2.5mm左右。主轴瓦

周向平均分布36个节点，网格模型如图3所示。

图3主轴瓦网格示意图图4缸体网格示意图

由于上下缸体、镶块结构较复杂，均采用二阶四面体网格划分。上下缸体整体网格平均尺

寸控制在6mm，并对主轴承座及曲通区域进行网格加密，局部网格平均尺寸控制在2mm，缸体

有限元模型如图4所示。镶块整体平均网格尺寸控制在3mm，主轴承座区域平均网格尺寸控制在

2mm。为提高计算精度，将主轴承座表面网格与主轴瓦瓦背网格节点坐标重合。

3边界输入

3.1载荷

在发动机运动做工过程中，气体燃烧对活塞产生气体作用力，活塞连杆运动产生惯性力、

活塞运动产生侧推力、以及摩擦力等复杂作用力，合力经连杆曲轴传递到主轴瓦上。前期通过曲

轴动力学EHD载荷分析，得到如图5所示额定转速工况下一个运动周期内，主轴瓦在各方向上所

受力和力矩变化示意图。选择每对主轴瓦各方向的正负最大载荷工况点，共40个载荷工况点。将

每个工况点的主轴瓦所受分布载荷映射到主轴瓦有限元模型各节点上，以此作为本次分析的主轴

瓦载荷输入。

AngR(deg)

AngR(deg)

(a)Y向作用力(b)Z向作用力

AngR(deg)

AngR(deg)

(c)绕Y轴力矩(d)绕Z轴力矩

图5主轴瓦EHD载荷

除主轴瓦EHD载荷之外，本次分析的缸体模型主要还受缸体连接螺栓轴力、主轴承座螺栓

轴力、主轴瓦过盈，以及热载荷，如图6所示。在仿真计算时，先在冷机状态下加载各螺栓轴力

和主轴瓦过盈量，然后计算温度场，接着再计算各工况点的主轴瓦EHD载荷。本次分析考虑冷

机温度为20℃，热机温度为140℃。

图6.其它载荷输入示意图

3.2边界条件

为使有限元计算收敛，需要结合实际发动机安装状态，对模型施加足够的边界约束条件，

避免出现网格节点产生不确定刚体位移的情况，并且提高计算精度。在本次分析中，约束缸体后

端法兰面