가혹 한 산 지형 을 항해 하는 무거운 트럭 을 상상 해 보십시오. 그 엔진 이 강력 히 웅거리고 있습니다.이 단순해 보이는 시나리오의 뒤에는 상상할 수 없는 스트레스를 견딜 수 있는 중요한 요소가 있습니다.엔진의 핵심 요소 중 하나로서, 크랭크 샤프트의 신뢰성은 전체 기계 성능과 수명에 직접 영향을 미친다.하지만 기술자 들 은 극심 한 조건 하 에서 안정적 인 작동 을 어떻게 보장 할 수 있으며, 동시에 재앙적 인 피로 장애 를 방지 할 수 있습니까??
내연기관에서, 크랭크샤프트는 피스톤의 회전운동을 차량과 장비를 구동시키는 회전력으로 변환하는 중요한 기능을 수행합니다.실린더 헤드와 함께 작업하는 것, 연결 막대기, 캠 샤프트 및 엔진 블록, 크랭크 샤프트는 복합적이고 반복적인 동적 부하를 유지합니다.
이 부하에는 실린더 연소 압력으로 생성되는 힘과 불균형 질량 분포로 인한 관성 힘이 포함됩니다.크랭크핀 필레트와 오일 구멍과 같은 구조적 특징은 잠재적인 피로 실패를위한 주요 위치크랭크 샤프트에서 가장 흔한 장애 방식인 피로 골절은 심각한 엔진 손상을 유발하고 잠재적으로 위험한 사고를 일으킬 수 있으므로 신뢰성 검증이 필수적입니다.
현대 설계의 과제는 더 높은 실량 용량, 가벼운 무게, 향상된 효율성 및 짧은 부하 주기가 요구되는 것을 포함하여 크랑크 샤프트 엔지니어링에 대한 압력을 강화했습니다.경험과 물리적 테스트에 의존하는 전통적인 설계 방법은 시간과 비용이 많이 든다컴퓨터 지원 엔지니어링 (CAE) 분석은 이제 초기 설계 단계에서 성능 예측 및 최적화를 가능하게 하며, 신뢰성을 향상시키는 동시에 개발 타임 라인을 크게 줄입니다.
이 연구는 4기통 디젤 엔진 캔크 샤프트에 대한 CAE 기반의 포괄적인 개발 접근 방식을 제시하며, 개념 설계부터 최종 검증까지의 과정을 다루고 있습니다.방법론은 다음의 주요 분석 단계를 포함합니다.:
3.1 부하 적용 및 경계 조건
정확 한 부하 시뮬레이션 은 정확 한 CAE 분석 의 기초 를 이루고 있다. 연구원 들 은 발사 순서 에 따라 실린더 특정 힘 을 적용 한다.모든 연소 현상을 커버하기 위해 두 개의 완전한 크랭크 샤프트 회전을 모델링합니다.압력-크랭크 각 (P-θ) 다이어그램에서 파생된 동적 부하는 각/시간 의존 함수로 해당 위치에서 구현됩니다.회전 사이클은 상세한 해상도를 위해 360 인크림으로 나뉘어.
경계 조건은 실제 설치 제한을 복제합니다. 주류류류 저널은 엔진 블록 연결을 시뮬레이션하기 위해 고정 또는 레이어 유형의 지원이 제공됩니다.추가적인 고려 사항은 윤활유 필름 효과, 이는 진동 특성에 영향을 줄이는 동시에 마찰을 줄입니다.
3.2 자유 진동 분석
이 단계에서는 외부 자극 없이 자연적인 진동 주파수와 대응하는 모드 형태를 식별합니다. 유한 원소 방법을 사용하여,분석가들은 운동 방정식을 해결하기 위해 크랜크샤프트를 계산 요소로 분리합니다.결과들은 구조적 조정을 안내합니다. 강도 또는 질량 분포를 변경하여 자연 주파수를 작동 흥분 범위에서 벗어나 rezonance를 피합니다.
3.3 굽기 및 회전 경직성 평가
변형 저항의 중요한 지표로서, 굽기 및 톱션 경직 값은 모멘트 또는 토크 부하를 적용하는 유한 요소 시뮬레이션을 통해 계산됩니다.불충분한 딱딱성으로 인한 과도한 변형은 실린더 밀폐 (굽기) 를 손상시키거나 전력 출력을 줄일 수 있습니다.연구 결과는 치밀도를 높이기 위해 차원 또는 재료 최적화를 알려줍니다.
3.4 스트레스 농도 요인 결정
필레트 전환과 오일 구멍과 같은 기하학적 불연속성은 지방적 스트레스 강화를 만듭니다. 피로 실패의 주요 요인.SCF 값 (피크와 명목 스트레스의 비율) 은 정제된 유한 요소 매시 및 스트레스 필드 계산을 통해 도출됩니다.그 결과는 스트레스 농도를 완화하기 위해 필레트 반지름의 확대 또는 최적화된 전환 프로파일과 같은 기하학적 개선에 안내합니다.
3.5 임시 동적 시뮬레이션
이 고급 분석은 관성, 완화 및 비선형 효과를 포함한 시간 의존적 시스템 행동을 캡처합니다. 완전한 크랜크트레인 모델에는 연결 막대, 피스톤, 플라이휠,그리고 롤리실제 세계 시나리오를 시뮬레이션 시작, 가속, 느림 분석은 피로 평가를 위해 이동, 속도, 가속 및 스트레스 역사를 생성합니다.
3.6 피로 수명 예측
일시적 스트레스 역사를 입력으로 사용하여 피로 분석 소프트웨어는 S-N 또는 ε-N 곡선 모델을 적용하여 순환 부하의 누적 손상을 계산합니다.손해 축적이 극심한 임계치에 도달했을 때이 예측 능력은 설계 수명 예상과 유지보수 일정을 알려줍니다.
CAE 결과는 데이터에 기반한 차원 사양, 재료 선택 및 열처리 프로세스의 결정을 가능하게합니다. 구조적 최적화는 크랭크 웹 프로필 수정,향상된 필레 디자인엔지니어들은 또한 시스템 호환성을 보장하기 위해 크랭크 샤프트의 매개 변수와 인접한 구성 요소 (연결 막대 기하학, 플라이휠 질량 특성) 를 조정해야합니다.
이 CAE 기반 방법론은 초기 개념부터 최종 검증까지 캔크 샤프트 성능에 대한 포괄적 인 평가를 제공합니다. 진동 분석, 경직성 평가,스트레스 농도 매핑, 일시적 역학 및 피로 예측은 개발 시간과 비용을 줄이는 동시에 신뢰성을 향상시키는 목표 최적화를 가능하게합니다. CAE 기술이 발전함에 따라크랭크 샤프트 설계에 대한 확장 역할은 엔진 성능과 내구성에 대한 혁신을 계속 추진할 것입니다..
가혹 한 산 지형 을 항해 하는 무거운 트럭 을 상상 해 보십시오. 그 엔진 이 강력 히 웅거리고 있습니다.이 단순해 보이는 시나리오의 뒤에는 상상할 수 없는 스트레스를 견딜 수 있는 중요한 요소가 있습니다.엔진의 핵심 요소 중 하나로서, 크랭크 샤프트의 신뢰성은 전체 기계 성능과 수명에 직접 영향을 미친다.하지만 기술자 들 은 극심 한 조건 하 에서 안정적 인 작동 을 어떻게 보장 할 수 있으며, 동시에 재앙적 인 피로 장애 를 방지 할 수 있습니까??
내연기관에서, 크랭크샤프트는 피스톤의 회전운동을 차량과 장비를 구동시키는 회전력으로 변환하는 중요한 기능을 수행합니다.실린더 헤드와 함께 작업하는 것, 연결 막대기, 캠 샤프트 및 엔진 블록, 크랭크 샤프트는 복합적이고 반복적인 동적 부하를 유지합니다.
이 부하에는 실린더 연소 압력으로 생성되는 힘과 불균형 질량 분포로 인한 관성 힘이 포함됩니다.크랭크핀 필레트와 오일 구멍과 같은 구조적 특징은 잠재적인 피로 실패를위한 주요 위치크랭크 샤프트에서 가장 흔한 장애 방식인 피로 골절은 심각한 엔진 손상을 유발하고 잠재적으로 위험한 사고를 일으킬 수 있으므로 신뢰성 검증이 필수적입니다.
현대 설계의 과제는 더 높은 실량 용량, 가벼운 무게, 향상된 효율성 및 짧은 부하 주기가 요구되는 것을 포함하여 크랑크 샤프트 엔지니어링에 대한 압력을 강화했습니다.경험과 물리적 테스트에 의존하는 전통적인 설계 방법은 시간과 비용이 많이 든다컴퓨터 지원 엔지니어링 (CAE) 분석은 이제 초기 설계 단계에서 성능 예측 및 최적화를 가능하게 하며, 신뢰성을 향상시키는 동시에 개발 타임 라인을 크게 줄입니다.
이 연구는 4기통 디젤 엔진 캔크 샤프트에 대한 CAE 기반의 포괄적인 개발 접근 방식을 제시하며, 개념 설계부터 최종 검증까지의 과정을 다루고 있습니다.방법론은 다음의 주요 분석 단계를 포함합니다.:
3.1 부하 적용 및 경계 조건
정확 한 부하 시뮬레이션 은 정확 한 CAE 분석 의 기초 를 이루고 있다. 연구원 들 은 발사 순서 에 따라 실린더 특정 힘 을 적용 한다.모든 연소 현상을 커버하기 위해 두 개의 완전한 크랭크 샤프트 회전을 모델링합니다.압력-크랭크 각 (P-θ) 다이어그램에서 파생된 동적 부하는 각/시간 의존 함수로 해당 위치에서 구현됩니다.회전 사이클은 상세한 해상도를 위해 360 인크림으로 나뉘어.
경계 조건은 실제 설치 제한을 복제합니다. 주류류류 저널은 엔진 블록 연결을 시뮬레이션하기 위해 고정 또는 레이어 유형의 지원이 제공됩니다.추가적인 고려 사항은 윤활유 필름 효과, 이는 진동 특성에 영향을 줄이는 동시에 마찰을 줄입니다.
3.2 자유 진동 분석
이 단계에서는 외부 자극 없이 자연적인 진동 주파수와 대응하는 모드 형태를 식별합니다. 유한 원소 방법을 사용하여,분석가들은 운동 방정식을 해결하기 위해 크랜크샤프트를 계산 요소로 분리합니다.결과들은 구조적 조정을 안내합니다. 강도 또는 질량 분포를 변경하여 자연 주파수를 작동 흥분 범위에서 벗어나 rezonance를 피합니다.
3.3 굽기 및 회전 경직성 평가
변형 저항의 중요한 지표로서, 굽기 및 톱션 경직 값은 모멘트 또는 토크 부하를 적용하는 유한 요소 시뮬레이션을 통해 계산됩니다.불충분한 딱딱성으로 인한 과도한 변형은 실린더 밀폐 (굽기) 를 손상시키거나 전력 출력을 줄일 수 있습니다.연구 결과는 치밀도를 높이기 위해 차원 또는 재료 최적화를 알려줍니다.
3.4 스트레스 농도 요인 결정
필레트 전환과 오일 구멍과 같은 기하학적 불연속성은 지방적 스트레스 강화를 만듭니다. 피로 실패의 주요 요인.SCF 값 (피크와 명목 스트레스의 비율) 은 정제된 유한 요소 매시 및 스트레스 필드 계산을 통해 도출됩니다.그 결과는 스트레스 농도를 완화하기 위해 필레트 반지름의 확대 또는 최적화된 전환 프로파일과 같은 기하학적 개선에 안내합니다.
3.5 임시 동적 시뮬레이션
이 고급 분석은 관성, 완화 및 비선형 효과를 포함한 시간 의존적 시스템 행동을 캡처합니다. 완전한 크랜크트레인 모델에는 연결 막대, 피스톤, 플라이휠,그리고 롤리실제 세계 시나리오를 시뮬레이션 시작, 가속, 느림 분석은 피로 평가를 위해 이동, 속도, 가속 및 스트레스 역사를 생성합니다.
3.6 피로 수명 예측
일시적 스트레스 역사를 입력으로 사용하여 피로 분석 소프트웨어는 S-N 또는 ε-N 곡선 모델을 적용하여 순환 부하의 누적 손상을 계산합니다.손해 축적이 극심한 임계치에 도달했을 때이 예측 능력은 설계 수명 예상과 유지보수 일정을 알려줍니다.
CAE 결과는 데이터에 기반한 차원 사양, 재료 선택 및 열처리 프로세스의 결정을 가능하게합니다. 구조적 최적화는 크랭크 웹 프로필 수정,향상된 필레 디자인엔지니어들은 또한 시스템 호환성을 보장하기 위해 크랭크 샤프트의 매개 변수와 인접한 구성 요소 (연결 막대 기하학, 플라이휠 질량 특성) 를 조정해야합니다.
이 CAE 기반 방법론은 초기 개념부터 최종 검증까지 캔크 샤프트 성능에 대한 포괄적 인 평가를 제공합니다. 진동 분석, 경직성 평가,스트레스 농도 매핑, 일시적 역학 및 피로 예측은 개발 시간과 비용을 줄이는 동시에 신뢰성을 향상시키는 목표 최적화를 가능하게합니다. CAE 기술이 발전함에 따라크랭크 샤프트 설계에 대한 확장 역할은 엔진 성능과 내구성에 대한 혁신을 계속 추진할 것입니다..
