本文运用发动机动力学软件EXCITE，对某小排量汽油机的曲轴进行了弹性液体动力学分析，并依据分析结果设计曲轴方案，对比各方案的曲轴轴承油膜性能。对比结果显示：减重后的曲轴主轴承油膜厚度相比原来都有不同程度的减小。

随着精益设计理念的发展，零部件的减重已成为国内外各个生产制造单位面临的前沿课题，这是因为在减重的同时会对产品的其他方面带来负面影响。比如对于发动机，减重能够节省生产成本，降低汽车油耗，增强整车动力性，但同时，发动机的NVH性能也会有所恶化。因此，平衡处理减重和由此带来的负面影响显得尤为重要。特别是对于一些关键零部件，需要引入先进的虚拟验证工具，来快速准确地预测减重方案的可行性以及各个方案之间的优劣。本文应用EXCITE软件计算曲轴的弹性液体动力学，进而指导曲轴减重方案设计，同时评价各个曲轴减重方案的优劣。

弹性液体动力学轴承理论

弹性液体动力学（EHD）计算理论的基础基于Reynolds方程，如方程（1）所示。

该方程确立了机油压力p与机油黏度η、油膜厚度h、工作表面运动速度U1和U2、油楔形状  及油膜厚度变化率 等因素间的关系。

Reynolds方程适用于较为简单的情况，而曲轴轴承的液体运动状态比较复杂，其机油并不是时刻都填满油楔，因此基于方程（1）发展了考虑机油填充率的拓展Reynolds方程：

上式中θ为机油填充率，当θ=1时，Ρ>Ρc；当θ<1时，Ρ=Ρc。Ρc为气穴的压力。

曲轴减重方案

图1～3是曲轴的三种设计方案，其中图1是原设计方案；图2是第一种减重方案，即在原方案的基础上将曲柄中部去除一部分质量；图3是第二种减重方案，即在原方案的基础上对第1～6曲柄壁的中部进行去除材料，保留第7、8曲柄壁的厚度。

曲轴在减重的同时也影响了平衡率，三根曲轴的质量以及平衡率数据见表1所示。

曲轴方案对比分析

本文对比了三种曲轴方案在常用转速2000r/min以及额定转速6000r/min时的最小油膜厚度指标。

1.动力学建模

曲轴使用AVL软件Shaft Modeler 模块进行离散缩减。首先用Auto shaft模块以三维 CAD 模型（STL 格式）为基础，对曲轴轴颈及曲柄壁进行识别，分割曲轴系各质量段，并计算曲柄壁质量及刚度矩阵，最后在Shaft Modeler将曲柄壁与轴段进行装配，生成曲轴质量及刚度矩阵文件。

连杆使用 Conrod Modeler 得到连杆3 质量点的动力学等效模型。完成Conrod Modeler 即可得到连杆参与计算的各个矩阵。

缸套和主轴承座在缸体缩减时保留主节点，定义好Aset 和Qset 后用Nastran 进行缩减得到质量、几何、刚度和自由度矩阵。为保证计算精度，轴承表面轴向定义为7 层，周向72层，并且网格要求为六面体网格。

在EXCITE 中建立如图4所示的动力学模型。对各 Joint（活塞缸套导向、连杆大头轴承、止推轴承和主轴承座轴承）分别确定好相关刚度、阻尼参数，并定义各联接体的相关联接节点，完成计算模型的框架搭建。刚度根据缸压和轴承间隙计算得到，阻尼采用经验值。

2. 转速为2000r/min时的结果分析

由图5～图7可见：原方案曲轴主轴承最小油膜厚度0.664μm，发生在第5主轴承；方案一曲轴主轴承最小油膜厚度0.445μm，发生在第5主轴承；方案二曲轴主轴承最小油膜厚度0.610μm，发生在第5主轴承。减重后曲轴主轴承油膜厚度相比原来都有不同程度的减小。

从图6和图7可见：方案1的曲轴主轴承油膜厚度比方案2对应的主轴承油膜厚度小，这说明保留第7、8曲柄壁的厚度，对2000r/min时曲轴主轴承的油膜厚度有好处，尤其是对于第5主轴承，油膜厚度从0.445μm提高到0.610μm。

3. 转速为6000r/min时的结果分析

由图8～10可见：原方案曲轴主轴承最小油膜厚度0.605μm，发生在第1主轴承；方案一曲轴主轴承最小油膜厚度0.514μm，发生在第1主轴承；方案二曲轴主轴承最小油膜厚度0.307μm，发生在第5主轴承。在6000r/min工况，减重后曲轴主轴承油膜厚度相比原来的厚度都有不同程度的减小。

从图9和图10可见：方案一的曲轴主轴承油膜厚度比方案二对应的主轴承油膜厚度大，这说明保留第7、8曲柄壁的厚度，降低了曲轴平衡率，使得6000r/min时曲轴旋转不平衡力变大，超过了保留7、8曲柄壁的厚度给油膜带来的益处，最终的结果是曲轴主轴承的最小油膜厚度变小。

结语

在曲拐中部去除质量，会导致曲拐刚度变差，使主轴承在承受相同缸内爆发压力的情况下更容易弯曲变形，也更容易发生偏磨，进而导致油膜厚度减小。

保留第7、8曲柄壁厚度，可以提高曲轴刚度，因此在低转速时可以使最小油膜厚度增加，但这样的方案使得曲轴质量分布不均，降低了曲轴平衡率，导致在高转速时旋转不平衡力增大，从而使得最小油膜厚度减小。

使用EXCITE对曲轴减重方案进行动力学验算，可以快速得到各方案的优劣，为设计快速决策提供理论参考。