基于AVL Excite Designer的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主軸承潤(rùn)滑性能分析

曹中文

(中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，太原 030051)

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要摩擦副之一。曲軸軸承的工況比較惡劣，其要承受氣體爆發(fā)壓力和活塞連桿組慣性力的作用，這些力都是周期性變化并帶有沖擊的載荷，其最大比壓可達(dá)16～80 MPa；軸頸和軸承之間的相對(duì)滑動(dòng)速度可達(dá)10 m/s以上[1]。在如此重載下做高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，使軸承的工作溫度迅速升高，此時(shí)若不能保證零件間的液體潤(rùn)滑，就會(huì)使軸承劇烈磨損。因此，十分有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承的潤(rùn)滑性能進(jìn)行研究，以確定影響其工作性能的因素。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)、外專家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸軸承的潤(rùn)滑情況進(jìn)行了大量研究[2-3]。隨著研究的深入，對(duì)曲軸軸承進(jìn)行潤(rùn)滑分析時(shí)考慮的影響因素越來(lái)越多，從而使數(shù)值模擬越來(lái)越接近軸承的實(shí)際情況。現(xiàn)以某直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，利用Excite軟件對(duì)曲軸主軸承進(jìn)行彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑分析，根據(jù)分析結(jié)果找出主軸承發(fā)生磨損的原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 數(shù)學(xué)模型

多年來(lái)，對(duì)于軸承潤(rùn)滑特性的分析常假設(shè)軸頸和軸瓦為剛性體，不考慮彈性變形。但發(fā)動(dòng)機(jī)軸承長(zhǎng)期在重載下高速運(yùn)行，表面在流體壓力作用下必然發(fā)生彈性變形。因此，在對(duì)曲軸軸承進(jìn)行潤(rùn)滑性能分析時(shí)，需要考慮軸承表面彈性變形對(duì)油膜壓力分布和油膜承載力的影響；同時(shí)由于曲軸主軸承承受很大的交變載荷作用，使得潤(rùn)滑油膜厚度只有幾微米，因此不能忽略表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑的影響。

1.1 流體潤(rùn)滑控制方程

流體潤(rùn)滑性能分析一般是在不同的假設(shè)下通過(guò)簡(jiǎn)化得到不同形式的Reynolds方程。下文使用的模型主要采用以下假設(shè)：

(1)流體為層流，油膜中不存在渦流和湍流；

(2)潤(rùn)滑劑是Newton流體；

(3)油膜厚度為微米級(jí)，因此忽略沿油膜厚度方向上的壓力變化；

(4)接觸表面曲率半徑遠(yuǎn)大于油膜厚度。

據(jù)此得到的Reynolds方程為[4]

(1)

1.2 油膜厚度方程

在考慮潤(rùn)滑油表面粗糙度的情況下，主軸承軸頸和軸瓦潤(rùn)滑表面之間的實(shí)際油膜厚度hT為[5]

hT=h+δ1+δ2，

式中：δ1，δ2分別為主軸承軸頸、軸瓦潤(rùn)滑表面以中面為基準(zhǔn)的粗糙峰高度。

2 數(shù)值模擬

對(duì)于曲軸主軸承的潤(rùn)滑分析，大多采用多體動(dòng)力學(xué)軟件。圖1為曲軸軸系有限元模型。由于潤(rùn)滑分析過(guò)程中計(jì)算量較大，為了保證求解精度，故采用精度較高的六面體網(wǎng)格建立有限元模型，同時(shí)在結(jié)構(gòu)薄弱的過(guò)渡圓角處采用更密的網(wǎng)格。

圖1 曲軸軸系有限元模型

根據(jù)曲軸軸系的實(shí)際結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)化，在AVL/Excite軟件中定義體和體之間的連接關(guān)系以及體和體連接的屬性，建立如圖2所示的多體動(dòng)力學(xué)分析模型。

圖2 Excite模型圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)用上述動(dòng)載滑動(dòng)軸承彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑數(shù)值分析模型，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主軸承轉(zhuǎn)速分別取4 500，5 000，5 500，6 000 r/min進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 最小油膜厚度分析

圖3為不同轉(zhuǎn)速下最小油膜厚度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。由圖可知，油膜厚度隨轉(zhuǎn)速的升高而變小。隨著轉(zhuǎn)速的升高，特別是增至5 500，6 000 r/min時(shí)，最小油膜厚度在很多地方都偏小，表明此時(shí)潤(rùn)滑狀況較差。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下最小厚度油膜所處的隨曲軸轉(zhuǎn)角

圖4為不同轉(zhuǎn)速下最小油膜厚度周向位置。由圖可知，最小油膜厚度的最小值都出現(xiàn)在做功沖程下止點(diǎn)附近，曲軸主軸承的下軸瓦180°左右。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下最小油膜厚度周向位置

3.2 最大摩擦接觸應(yīng)力分析

曲軸主軸承在循環(huán)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和受力情況均隨曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，因此其最大摩擦接觸應(yīng)力也時(shí)刻變化。如圖5所示，最大摩擦接觸應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的增加而不斷增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速增至6 000 r/min時(shí)，摩擦接觸應(yīng)力超過(guò)其穩(wěn)定運(yùn)行所允許的范圍值，潤(rùn)滑狀況惡化。同時(shí)可知，最大摩擦接觸應(yīng)力的增幅隨著轉(zhuǎn)速的增大也在逐漸變大。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下最大摩擦接觸應(yīng)力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況

不同轉(zhuǎn)速下最大摩擦接觸應(yīng)力周向位置如圖6所示，各轉(zhuǎn)速下最大摩擦接觸應(yīng)力在相同位置出現(xiàn)峰值，即處于做功沖程下止點(diǎn)附近，曲軸主軸承的下軸瓦180°左右。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下最大摩擦接觸應(yīng)力周向位置

3.3 磨損分析

根據(jù)上述分析可知，主軸承油膜厚度小的地方，最大摩擦接觸應(yīng)力也小。因此，油膜厚度過(guò)小是造成軸承磨損，引起燒瓦的原因之一。曲軸主軸承在不同轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑油端泄量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系如圖7所示，隨轉(zhuǎn)速升高，潤(rùn)滑油端泄量增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min升至5 500 r/min時(shí)，變化十分明顯，端泄量急劇增大。結(jié)合圖3和圖4可知，潤(rùn)滑油端泄量增大是造成曲軸主軸承油膜厚度過(guò)小的原因之一。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑油端泄量

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于5 500 r/min時(shí)，曲軸主軸承的最大摩擦接觸應(yīng)力都處在正常工作所允許的范圍；而當(dāng)轉(zhuǎn)速大于5 500 r/min，尤其達(dá)到6 000 r/min時(shí)，曲軸主軸承的最大摩擦接觸應(yīng)力均超過(guò)正常工作所允許的范圍，潤(rùn)滑條件急劇惡化，存在磨損。鑒于此，只分析轉(zhuǎn)速為5 500和6 000 r/min時(shí)的平均摩擦接觸應(yīng)力，結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，主軸承發(fā)生偏磨，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，磨損將進(jìn)一步加劇。

圖8 5 500 r/min轉(zhuǎn)速下平均粗糙接觸應(yīng)力

圖9 6 000 r/min轉(zhuǎn)速下平均粗糙接觸應(yīng)力

造成偏磨的因素很多，以轉(zhuǎn)速6 000 r/min下磨損最為嚴(yán)重時(shí)為例，對(duì)主軸承的軸瓦徑向變形量、機(jī)油填充率和間隙高度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 510°曲軸轉(zhuǎn)角下軸瓦徑向變形

圖11 510°曲軸轉(zhuǎn)角下機(jī)油填充率

圖12 510°曲軸轉(zhuǎn)角下間隙高度

由圖可知，在下軸瓦180°附近發(fā)生偏磨處的機(jī)油填充率較大，說(shuō)明機(jī)油供給較充足。而此處軸承間隙高度較小，軸瓦徑向變形量也不大，說(shuō)明主軸頸的彎曲傾斜很大。

4 結(jié)論

(1)與軸承潤(rùn)滑特性相關(guān)的因素很多，在進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)綜合考慮多個(gè)因素。

(2)主軸承的最大油膜壓力、最小油膜壓力最低點(diǎn)和最大摩擦接觸應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在做功沖程下止點(diǎn)附近，曲軸主軸承的下軸瓦180°左右，可知此處的潤(rùn)滑最差。

(3)在發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化結(jié)構(gòu)并篩選設(shè)計(jì)方案，不但可以提高開發(fā)效率，而且能降低開發(fā)成本。