本文以材料由球墨铸铁替换非调质钢的GN16发动机曲轴为研究对象，对替换后球铁材料的曲轴进行结构分析、工艺分析并进行试验验证。本文根据发动机运动学、动力学、平衡性、流体润滑理论及扭转振动理论，建立了直列四缸四冲程发动机曲轴系有限元模型，利用非线性多体动力学软件AVL/Excite建立曲轴系的多体动力学模型。根据疲劳分析理论、强迫振动的系统动力学方程及Reynolds方程，分别对曲轴系的自由模态、主轴承载荷、危险转速的应力和疲劳安全因子及其分布、不同材料疲劳极限下的最小疲劳安全因子方面进行动力学疲劳结果分析，对曲轴系的一阶及二阶扭转固有频率、减振器合成扭振振幅、单阶扭振振幅、减振器耗散功和转速波动方面进行一维扭振方面的分析，对曲轴系的主轴瓦、连杆轴瓦进行最小油膜厚度和最大轴瓦单位载荷方面进行流体润滑分析。本文在经过对GN16发动机曲轴两次设计修正及上述的结构分析后，对曲轴沉割槽圆角滚压力调整，并对滚压深度进行测量分析，最后运用400H交变负荷耐久试验进行可行性的通过验证。论文最后给出了GN16发动机曲轴材料更改并量产后在采购成本降低、曲轴重量减轻、曲轴加工工艺性改进等方面的数据总结。结合实际情况，对TG15曲轴由非调质钢材料改为球墨铸铁时，提出了在结构分析、工艺验证及试验验证等方面的改善意见。