內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)動力學摩擦學剛度和強度耦合研究.pdf

1、內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)是內燃機的關鍵部件，其摩擦學、動力學性能分析和強度剛度計算是內燃機設計必須面臨的問題，直接影響到內燃機工作的可靠性和耐久性。然而，長期以來，由于曲軸-軸承系統(tǒng)特殊的結構形式和復雜的受力狀況，理論研究難度較大，其摩擦學性能、動力學行為的分析和強度剛度計算是在各自獨立的領域里分別進行的。實際上，內燃機在運轉時，各種機械行為是同時發(fā)生互相影響的。因此，進行曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學、動力學、剛度和強度耦合研究、提高曲軸-軸承系統(tǒng)

2、理論分析的準確性，具有重要的理論意義和現(xiàn)實的應用價值。本研究課題來源于國家自然科學基金研究項目“內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學、動力學和強度剛度耦合研究（50175023）。前期工作中，孫軍（博士論文《內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學、剛度和強度耦合研究》）進行了內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學、剛度和強度之間的耦合分析，李震（博士論文《內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學動力學耦合研究》）進行了內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學動力學之間的耦合分析，在他們研究工作的基

3、礎上，本文的主要任務是進行內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學、動力學和強度剛度三種機械行為及性能的耦合分析。 首先，本文在分析現(xiàn)有內燃機軸承潤滑分析、曲軸動力學分析、曲軸強度計算以及它們之間耦合分析研究現(xiàn)狀的基礎上，探討了曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學、動力學、剛度和強度耦合分析的必要性。分析了曲軸-軸承系統(tǒng)動力學摩擦學剛度和強度耦合問題的特點，根據(jù)它們之間耦合強弱，提出了先解決曲軸-軸承系統(tǒng)動力學、摩擦學和剛度耦合問題，再解決曲軸疲勞強度計算問

4、題的解耦方法。針對耦合分析計算過程復雜，計算工作量浩大，根據(jù)現(xiàn)有條件采用專業(yè)軟件和自編程序相結合的方法進行耦合分析以減少編程工作量。認識到內燃機曲軸-軸承系統(tǒng)動力學、摩擦學、剛度和強度耦合問題的復雜性和普遍性，本文首先分析一般的直軸-軸承系統(tǒng)動力學、摩擦學、剛度和強度耦合問題，以探索解耦方法。 其次，采用有限差分法對滑動軸承進行潤滑分析，在此基礎上利用ADAMS動力學仿真軟件，研究彈性軸-軸承系統(tǒng)在變載荷作用下動力學和摩擦學行為

5、；采用掃頻法計算了彈性軸-軸承系統(tǒng)的幅頻特性，研究了軸-軸承系統(tǒng)一、二階共振響應和在沖擊載荷作用下的響應，詳細分析比較了計入軸傾斜對彈性軸-軸承系統(tǒng)動力學摩擦學行為的影響。得到的主要結論是：考慮軸傾斜時軸-軸承系統(tǒng)一階固有頻率略有下降，二階固有頻率略有上升；共振時振動幅度增大，軸承最小油膜厚度減小，最大油膜壓力升高。 第三，建立了軸頸表面動應力計算有限元模型，采用ANSYS中的參數(shù)化編程語言APDL，開發(fā)專用計算程序，自動實現(xiàn)動

6、態(tài)施加邊界條件、求解并記錄指定節(jié)點上的應力。計算結果表明，動應力在軸頸表面沿軸向和周向分布與油膜壓力沿軸向和周向分布密切相關；動應力隨時間的變化與軸-軸承系統(tǒng)的動力學響應密切相關。軸受載變形傾斜使得軸-軸承系統(tǒng)的動力學響應、潤滑性能以及軸頸表面動應力發(fā)生較大改變。 第四，以N485柴油機曲軸-軸承系統(tǒng)為研究對象，建立了彈性曲軸-軸承系統(tǒng)的動力學、摩擦學和剛度耦合分析ADAMS仿真模型；進行了N485柴油機曲軸-軸承系統(tǒng)在額定工況

7、下主軸承摩擦學和曲軸動力學的耦合分析；著重分析討論了曲軸主軸頸傾斜、軸承摩擦學和曲軸動力學行為之間相互影響。計算結果表明，曲軸受載變形傾斜對主軸承摩擦學行為影響十分顯著，最大油膜壓力升高，最大升高43.76％；最小油膜厚度降低，最大下降92.14％。對曲軸動力學行為也有一定影響。 第五，根據(jù)主軸頸的軸心運動參數(shù)和作用于曲柄銷載荷，通過潤滑分析計算出曲軸軸承的動態(tài)油膜壓力并轉換為動態(tài)節(jié)點力。在ANSYS工作環(huán)境下，利用APDL參數(shù)

8、化編程語言，編寫專用計算程序，動態(tài)施加載荷邊界條件后進行有限元分析求解，并記錄曲軸頸表面指定節(jié)點上的應力。研究了計入和不計入主軸頸傾斜時曲軸動應力在軸頸表面分布和隨時間的變化規(guī)律，找到了危險截面和危險點的位置，得到了危險點的動應力隨時間的變化規(guī)律，最后利用損傷積累理論進行了曲軸疲勞強度計算。計算結果表明：計入主軸頸傾斜時曲軸動應力在軸頸表面分布和隨時間的變化都會發(fā)生很大改變。危險點的應力隨時間的變化曲線也發(fā)生改變，最大應力升高了19.5

9、1％，安全系數(shù)曲線下降了23.24％。 第六，利用有限元分析軟件ANSYS求出軸瓦表面變形矩陣后，進行了計入軸瓦變形的滑動軸承潤滑分析，研究了額定工況下計入軸瓦變形的曲軸-軸承系統(tǒng)動力學摩擦學剛度和強度耦合問題。得到的主要結論是：計入軸瓦變形，曲軸-軸承系統(tǒng)動力學徑向振動響應幅度增加；主軸承最小油膜厚度大幅度下降，最大相對下降量達67.9％，最大油膜壓力有升有降；危險點的等效應力變化曲線發(fā)生變化，最大應力上升了17.9％，對應的