內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)摩擦學(xué)剛度和強(qiáng)度耦合研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵部件，其摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能分析和強(qiáng)度剛度計(jì)算是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)必須面臨的問(wèn)題，直接影響到內(nèi)燃機(jī)工作的可靠性和耐久性。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，由于曲軸-軸承系統(tǒng)特殊的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜的受力狀況，理論研究難度較大，其摩擦學(xué)性能、動(dòng)力學(xué)行為的分析和強(qiáng)度剛度計(jì)算是在各自獨(dú)立的領(lǐng)域里分別進(jìn)行的。實(shí)際上，內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各種機(jī)械行為是同時(shí)發(fā)生互相影響的。因此，進(jìn)行曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)、剛度和強(qiáng)度耦合研究、提高曲軸-軸承系統(tǒng)

2、理論分析的準(zhǔn)確性，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。本研究課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目“內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)度剛度耦合研究（50175023）。前期工作中，孫軍（博士論文《內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)、剛度和強(qiáng)度耦合研究》）進(jìn)行了內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)、剛度和強(qiáng)度之間的耦合分析，李震（博士論文《內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)動(dòng)力學(xué)耦合研究》）進(jìn)行了內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)動(dòng)力學(xué)之間的耦合分析，在他們研究工作的基

3、礎(chǔ)上，本文的主要任務(wù)是進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)度剛度三種機(jī)械行為及性能的耦合分析。 首先，本文在分析現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)軸承潤(rùn)滑分析、曲軸動(dòng)力學(xué)分析、曲軸強(qiáng)度計(jì)算以及它們之間耦合分析研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討了曲軸-軸承系統(tǒng)摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)、剛度和強(qiáng)度耦合分析的必要性。分析了曲軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)摩擦學(xué)剛度和強(qiáng)度耦合問(wèn)題的特點(diǎn)，根據(jù)它們之間耦合強(qiáng)弱，提出了先解決曲軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)和剛度耦合問(wèn)題，再解決曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)

4、題的解耦方法。針對(duì)耦合分析計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，計(jì)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(jié)合的方法進(jìn)行耦合分析以減少編程工作量。認(rèn)識(shí)到內(nèi)燃機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)、剛度和強(qiáng)度耦合問(wèn)題的復(fù)雜性和普遍性，本文首先分析一般的直軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)、剛度和強(qiáng)度耦合問(wèn)題，以探索解耦方法。 其次，采用有限差分法對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑分析，在此基礎(chǔ)上利用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件，研究彈性軸-軸承系統(tǒng)在變載荷作用下動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)行為

5、；采用掃頻法計(jì)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(yīng)和在沖擊載荷作用下的響應(yīng)，詳細(xì)分析比較了計(jì)入軸傾斜對(duì)彈性軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)摩擦學(xué)行為的影響。得到的主要結(jié)論是：考慮軸傾斜時(shí)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(shí)振動(dòng)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(dòng)應(yīng)力計(jì)算有限元模型，采用ANSYS中的參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL，開(kāi)發(fā)專用計(jì)算程序，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)

6、態(tài)施加邊界條件、求解并記錄指定節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，動(dòng)應(yīng)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(guān)；動(dòng)應(yīng)力隨時(shí)間的變化與軸-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)。軸受載變形傾斜使得軸-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、潤(rùn)滑性能以及軸頸表面動(dòng)應(yīng)力發(fā)生較大改變。 第四，以N485柴油機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了彈性曲軸-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)、摩擦學(xué)和剛度耦合分析ADAMS仿真模型；進(jìn)行了N485柴油機(jī)曲軸-軸承系統(tǒng)在額定工況

7、下主軸承摩擦學(xué)和曲軸動(dòng)力學(xué)的耦合分析；著重分析討論了曲軸主軸頸傾斜、軸承摩擦學(xué)和曲軸動(dòng)力學(xué)行為之間相互影響。計(jì)算結(jié)果表明，曲軸受載變形傾斜對(duì)主軸承摩擦學(xué)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(duì)曲軸動(dòng)力學(xué)行為也有一定影響。 第五，根據(jù)主軸頸的軸心運(yùn)動(dòng)參數(shù)和作用于曲柄銷載荷，通過(guò)潤(rùn)滑分析計(jì)算出曲軸軸承的動(dòng)態(tài)油膜壓力并轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)力。在ANSYS工作環(huán)境下，利用APDL參數(shù)

8、化編程語(yǔ)言，編寫專用計(jì)算程序，動(dòng)態(tài)施加載荷邊界條件后進(jìn)行有限元分析求解，并記錄曲軸頸表面指定節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力。研究了計(jì)入和不計(jì)入主軸頸傾斜時(shí)曲軸動(dòng)應(yīng)力在軸頸表面分布和隨時(shí)間的變化規(guī)律，找到了危險(xiǎn)截面和危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，得到了危險(xiǎn)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，最后利用損傷積累理論進(jìn)行了曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：計(jì)入主軸頸傾斜時(shí)曲軸動(dòng)應(yīng)力在軸頸表面分布和隨時(shí)間的變化都會(huì)發(fā)生很大改變。危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線也發(fā)生改變，最大應(yīng)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(jìn)行了計(jì)入軸瓦變形的滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑分析，研究了額定工況下計(jì)入軸瓦變形的曲軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)摩擦學(xué)剛度和強(qiáng)度耦合問(wèn)題。得到的主要結(jié)論是：計(jì)入軸瓦變形，曲軸-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)徑向振動(dòng)響應(yīng)幅度增加；主軸承最小油膜厚度大幅度下降，最大相對(duì)下降量達(dá)67.9％，最大油膜壓力有升有降；危險(xiǎn)點(diǎn)的等效應(yīng)力變化曲線發(fā)生變化，最大應(yīng)力上升了17.9％，對(duì)應(yīng)的