104_AVL Excite Designer软件在发动机概念设计中的应用_三一重工_朱可
医学专业排名-财务工作个人总结
AVL Excite Designer软件在发动机概念设计中的应用
朱可
（三一重工股份有限公司发动机项目部，湖南长沙）
摘要
:
CAE仿真在发
动机概念设计中扮演非常重要的角色，是评价和优化发动机设计的重要工
具。本文利用AVL公司的Ex
cite Designer软件对一款正在开发的直列六缸发动机曲轴轴系进
行模拟仿真，从液力轴承
、一维扭转振动、曲轴圆角处安全系数等方面评估曲轴设计，为设计
部门提供重要参考。
关键词
：
发动机；曲轴；轴承；扭振；强度
主要软件
：
AVL Excite Designer
1．前言
作为国内重工企业的龙头，研发设计具有自主品牌的发动机是企业发展的重要战略。概念
设计处
于发动机设计的前期阶段，是发动机从研发到生产过程中举足轻重的一环，对发动机设
计具有指导性作用
，决定着发动机的整体布局及后续设计的方向。
曲轴是发动机中最重要的部件之一，承受着周期性变化
的气体压力、往复惯性力和离心力
以及它们产生的转矩和弯矩的共同作用，在上述周期性载荷的作用下，
会引起扭转振动和弯曲
振动而产生附加应力。此外，转速和负荷经常变化，可能导致轴颈处不易形成良好
的油膜。因
此，对曲轴的设计提出了很高的要求，也是发动机设计中的重点和难点之一。
本文应用Excite Designer软件对概念设计阶段的曲轴进行一维仿真，分析内容包括Bearing、Torsion和Strength三部分，快速了解曲轴轴系多方面性能，评估曲轴设计
中的关键
指标，为设计部门提供重要参考。
2．Designer模型
AVL
Excite Designer采用当量模型，将运动系统简化为集中质量—弹簧—阻尼系统。计算
模
型包括曲轴、飞轮、减振器、连杆、活塞、活塞销、机体、轴承等零件的相关数据。将各部
件在AVL
Excite
Designer软件界面中连接，建立曲轴轴系模型，并定义好各个部件的参数，如
图1所示。
图1 计算模型
其中，连杆使用Conrod
Modeler定义，曲轴使用Autoshaft进行识别，并根据设计在Shaft
Modeler界面定义好各种参数。缸压曲线如图3如示。
图2 Shaft
Modeler模型
图3 爆发压力数据
3．计算结果
完成建模，定
义好结果输出控制文件，提交运算即可得到结果。Designer主要的计算结果
包括Bearing
、Torsion和Strength三部分。
3.1 Bearing结果
Bearing分析通过轴承比压和最小油膜厚度两个指标来评价轴承设计合理性。在AVL
Excite Designer软件中设置好轴承直径、宽度、间隙、供油压力等参数，通过计算就能
得到轴
承处的比压、最小油膜厚度、最大油膜压力等结果，通过对结果的分析可评价轴承设计。图4和图5分别为主轴承上、下瓦在不同转速下的比压，计算结果显示，主轴承上、下瓦的比压均
小于7
0MPa，表明该轴承能够正常工作。
Maximum Unit
Load
Main Bearing - Uppershell
80
80
7
0
60
50
40
30
20
10
0
Maxi
mum Unit Load
Main Bearing -
Uppershell
M
a
x
i
m
u
m
U
n
i
t
L
o
a
d
(
N
m
m
^
2
)
60
5
0
40
30
20
10
0
500
bearing 1
bearing 2
bearing 3
bearing 4
bearing 5
M
a
x
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m
u
m
U
n
i
t
L
o
a
d
(
N
m
m
^
2
)
70
b
earing 6
bearing 7
15
Engine Speed
(rpm)
500
Engine Speed (rpm)
图4
主轴承上轴瓦比压
Maximum Unit Load
Main Bearing - L
owershell
80
70
60
50
40
30
2
0
10
0
500
Maximum Unit Load
Main
Bearing - Lowershell
80
70
60
50
40
30
20
10
0
500
bearing 1
bearing 2
bearing 3
bearing 4
bearing 5
M
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x
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m
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m
U
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L
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d
(
N
m
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^
2
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M
a<
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m
U
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t
L
o
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d
(
N
m
m
^
2
)
bearing
6
bearing 7
Engine Speed (rpm)
Engine
Speed (rpm)
图5 主轴承下轴瓦比压
图6和图7分别为主轴承上、下
瓦在不同转速下的最小油膜厚度，结果显示，主轴承上、
下瓦的最小油膜厚度均大于0.8micron
s，表明该结果是可接受的。
Minimum Oilfilm
Thickness
Main Bearing - Uppershell:
PSI_1
5
Minimum Oilfilm Thickness
Main
Bearing - Uppershell:
PSI_1
5
M
i
n
i
m
u
m
O
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l
f
i
l
m
T
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i
c
k
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e
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s
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n
)
3.75M
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n
i
m
u
m
O
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m
T
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i
c
k
n
e
s
s
(
m
i
c
r
o
n
)
3.752.5
2.5
1.25
bearing 1
bearing 2
bearing 3
bearing 4
bearing 5
1.25
bearing 6
bearing 7
0
8503000
0
8503000
Engine Speed
(rpm)
Engine Speed (rpm)
图6
主轴承上轴瓦最小油膜厚度
Minimum Oilfilm Thickness
Main
Bearing - Lowershell: PSI_1
3.53.5
Minimum
Oilfilm Thickness
Main Bearing - Lowershell:
PSI_1
M
i
n
i
m
u
m
O
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l
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i
l
m
T
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c
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(
m
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c
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o
n
)
3
2
.5
bearing 1
bearing 2
bearing 3
bearing 4
bearing 5
M
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O
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T
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m
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c
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n
)
3
b
earing 6
bearing 7
2.5
22
1.51.5
1
8503000
1
8503000
Engine Speed
(rpm)Engine Speed (rpm)
图7 主轴承下轴瓦最小油膜厚度
图8和图9分别为连杆大头轴承上、下瓦的比压和最小油膜厚度，计算结果表明，连杆大头的轴承设计也是合理的。
Maximum Unit Load
Bigend
Bearing - Uppershell
80
70
60
50
40
30
20
10
0
8503000
30
Maximu
m Unit Load
Bigend Bearing -
Lowershell
M
a
x
i
m
u
m
U
n
i
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L
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(
N
m
m
^
2
)
M
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m
u
m
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L
o
a
d
(
N
m
m
^
2
)
25
2
0
bearing 1
bearing 2
bearing 3
bearing 4
bearing 5
bearing 1
bearing 2
bearing 3
bearing 4
bearing 5
15
10
5
0
Engine
Speed (rpm)
8503000
Engine Speed
(rpm)
图8 连杆大头轴承上、下轴瓦比压
Minimum Oilfilm
Thickness
Bigend Bearing - Uppershell:
PSI_1
3
12
Minimum Oilfilm
Thickness
Bigend Bearing - Lowershell:
PSI_1
M
i
n
i
m
u
m
O
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l
m
T
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2.5
M
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m
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m
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l
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c
k
n
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m
i
c
r
o
n
)
10
2
8
1.5
1
bearing 1
bearing 2
bearing 3
bearing 4
bearing 5
6
4
bearing 1
bearing 2
bearing
3
bearing 4
bearing 5
0.5
2
0
500
0
Engine Speed
(rpm)
500
Engine Speed (rpm)
图9 连杆大头轴承上、下轴瓦最小油膜厚度
3.2 Torsion结果
AutoShaft是Designer软件识别曲轴的工具，在Shaft Modeler里定义好
曲轴的参数，计算
可以得到曲轴的各阶模态和固有频率，与试验结果对比可以验证建模的准确性。通过T
orsion
计算可以得出曲轴轴系当量系统各阶模态的扭振振型，也可以得到发动机的临界转速。
Torsional
Modes
2
1
0
17181920
-1
-2
mode 1: 135.3Hz (-)
mode 2: 263.8Hz
(-)
mode 3: 637.0Hz (-)
mode 4: 1091.5Hz
(-)
mode 5: 1476.0Hz (-)
BackBone (-)
图10 曲轴系当量扭振系统示意图 图11 轴系振型图
Critical Speeds
0.5
3500
1.52.
5
1
3.54.5
2
5.56.57.58.59.510.5
3<
br>11.5
3000
2500
S
p
e
e
d
(
r
p
m
)
2000
1500
10
00
500
Frequency (Hz)
Modes (rpm)
图12 曲轴轴系临界转速
Torsion结果主要的评价参数有前端扭振角、转速波动、扭
转减振器耗散功、曲柄臂处的
扭转应力等。通过这些指标来评价曲轴的设计，如果这些指标都满足要求说
明曲轴设计合理，
如果不满足就需要做出相应改进。图13—图16为Torsion结果，结果显示，
前端扭振角单阶
均小于0.2deg，综合扭振角小于0.5deg，转速波动、耗散功及曲柄臂处的扭
转应力也均在合理
范围。
Magnitude (Mean-to-Peak)
1.
8
1.6
A
n
g
u
l
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D
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p
l
a
c
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en
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(
d
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)
1.4
1
.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
500
Engine Speed (rpm)
Order 0.5000
(deg)
Order 1.0000 (deg)
Order 1.5000
(deg)
Order 2.0000 (deg)
Order 2.5000
(deg)
Order 3.0000 (deg)
Order 3.5000
(deg)
Order 4.0000 (deg)
Order 4.5000
(deg)
Order 5.0000 (deg)
Order 5.5000
(deg)
Order 6.0000 (deg)
Order 6.5000
(deg)
Order 7.0000 (deg)
Order 7.5000
(deg)
Order 8.0000 (deg)
Order 8.5000
(deg)
Order 9.0000 (deg)
Order 9.5000
(deg)
Order 10.0000 (deg)
Order 10.5000
(deg)
Order 11.0000 (deg)
Order 11.5000
(deg)
Order 12.0000 (deg)
Synthesis
(deg)
图13前端扭振角位移
图14飞轮端转速波动
Dissipated Power
700
d
i
s
s
i
p
a
t
e
d
p
o
w
e
r
(
W
)
35
30
Viration Stress
Amplitudes Pins
S
t
r
e
s
s
(
N
m
m
^
2
)
600
500
400
300
200
100
0
7253000
25
20
15
10
5
0
500
engine
speed (rpm)
engine speed
(rpm)
Damper1
Web1
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图15 耗散功
图16 曲柄臂扭转应力
3.3 Strength结果
Strength
计算主要得到曲柄主轴颈及曲柄销圆角的等效应力及比较系数，得到危险位置及
危险转速，再利用Exc
ite PowerUnit、有限元及疲劳软件通过对曲柄臂处的详细计算得到疲劳
安全系数。图17
和图18为主轴颈及曲柄销圆角处比较系数，从图中可以看出，最小比较系数
均大于1.5，满足设计要
求。
Main Journal Fillet
8
7
6
5
4
3
2
1
500
C
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Web10
Web11
Web12
Min Y
1.95585
1.88663
1.93268
1.93109
1.88754
1.
88651
1.88838
1.87765
1.92399
1.95357<
br>1.90112
1.89582
at X
1200
1200
1
200
1200
1200
1200
1200
1200
120
0
1200
1200
1200
Engine Speed
(rpm)
图17主轴颈圆角处比较系数
Crank Pin F
illet
10
9
C
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s
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n
F
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5
4
3
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500
Web1
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Web10
Web11
Web12
Min Y
2.14356
2.04314
2.09495
2.09531
2.
04224
2.04293
2.04336
2.03012
2.08229<
br>2.12288
2.05918
2.05654
30003500
at
X
1200
1200
1200
1200
1200
1200<
br>1200
1200
1200
1200
1200
1200
1500
Engine Speed (rpm)
图18 曲柄销圆角处比较系数
4．结语
本文利用AVL Excite Designer软件，通过对曲轴轴系Bear
ing、Torsion和Strength三方面
的仿真，对曲轴的概念设计进行评价，仿真结果表明
，曲轴设计满足要求。
AVL Excite Designer软件操作简单，建模速度快
，用于曲轴概念设计仿真高速有效，为曲
轴设计提供重要参考。
参考文献
[1]袁兆成.内燃机设计.机械工业出版社，2009
[2]EXCITE
Designer User Guide
[3]任海军. AVL EXCITE_
Designer_Training_