基于AVL EXCITE曲軸軸承系統流體動力潤滑分析

山西中北大學機電工程學院 郭媛 崔志琴 吳迪

發動機80%的功率損失都來自于內外部的摩擦，而有一大部分是由于摩擦副部件引起的。其中，發動機曲軸及軸頸是主要摩擦副之一，主軸承每時每刻都承受著周期性交替變化著的氣體爆發壓力和曲柄連桿活塞等部件的慣性力作用，如果摩擦副之間的油膜不能很好地潤滑軸瓦、軸頸表面，就會引起部件間劇烈地磨損，從而使得部件失效。因此，對于軸承的潤滑狀況研究非常必要，本文以某直列四缸發動機作為研究對象，建立多體動力學潤滑仿真模型，通過對相應軸承的基本參數進行監測和分析，從而預測軸承的潤滑性能[1]。

1 流體動壓潤滑理論

雷諾方程是計算流體動壓潤滑的基本潤滑方程，描述了流體動壓潤滑的機理，奠定了現代流體動力潤滑理論的基礎。依據流體力學的基本力學方法得到了雷諾方程：

其中:h為油膜厚度，η為流體動力粘度，p為油膜壓力，U1為第一個表面的速度，U2為第二個表面的速度，x、z分別代表兩個垂直油膜的方向，t為時間代表油膜厚度的變化代表油膜相對離開的速度[2]。

2 仿真模型的建立

對于曲軸潤滑問題的研究，大多采取有限元模型，一般需劃分成六面體單元，這樣不僅能在同樣的單元數與節點數上比四面體單元得到更高的數值精度，而且能夠在較大程度上節省計算機運行時間。在結構薄弱的地方，應力梯度變化較大，如曲柄銷與主軸頸的過渡圓角處等需要加密網格，這里采取6層加密網格。在HyperMesh中進行手動網格劃分結果[3]如圖1所示。

圖1 曲軸有限元模型

在AVL EXCITE中對基本連接體和連接副進行組建，建成如圖2所示的多體動力學仿真模型[4][5]。

圖2 AVL EXCITE中仿真二維邏輯連接圖

3 仿真結果分析

本文采用的是EXCITE中的彈性液動潤滑軸承，利用差分法來計算偏微分方程的解，具體的差分網格根據軸瓦內表面的有限元網格而定，選擇29×145的計算網格，在上軸瓦270°～90°范圍內開設油槽和油孔，油槽寬度為8 mm，油孔直徑為6 mm，開設位置為上軸瓦0°，供油壓力為0.5 MPa，空穴壓力為0.5 MPa，綜合表面粗糙度為1.2μm。故可以根據仿真得到的最小油膜厚度、最大油膜壓力來分析主軸承潤滑狀況。

3.1 最小油膜厚度分析

對最小油膜厚度的分析，能夠判斷出各種情況下油膜的運行危險工況是否在需用范圍內，對衡量軸承的潤滑好壞極其相關。圖3為各檔主軸承在一個工作循環內的最小油膜厚度曲線。

圖3 各檔主軸承最小油膜厚度曲線

參考奧地利李斯特研究所所推薦的許用軸承最小油膜厚度的統計值標準，可知各檔主軸承的最小油膜厚度均大于其許用值，因此，可以判斷各檔主軸承的工作可靠性。雖然第三檔主軸承的最小油膜厚度接近許用值，但據相關資料統計顯示，有些發動機即使其主軸承工作在較小的油膜厚度下，仍然具有較高的可靠性，這應該是在軸瓦的結構內部有一層與結構能兼容且具有良好順應性的合金層。

3.2 最大油膜壓力

最大油膜壓力與最小油膜厚度一樣，同樣是衡量軸承潤滑狀況的重要指標。圖4為各檔曲軸的最大油膜壓力。據相關資料顯示，車用發動機在正常情況下，最大油膜壓力不超過100～150 MPa，可知五檔軸承運轉正常。最大油膜壓力的分布情況與主軸承的垂向載荷分布類似，一般情況下，當某缸在點火時刻，相鄰的主軸承載荷會增大，相應的油膜壓力也增大，而離其較遠的軸承油膜壓力較小，如第二、四主軸承情況很明顯，而第一、三、五檔主軸承由于前面所述的主軸承載荷中慣性力主導的原因，則油膜壓力規律不明顯。

圖4 各檔主軸承最大油膜壓力曲線

4 結論

（1）對主軸承進行彈性流體動力潤滑研究，在主軸承與主軸頸的結合部采用了彈性液動潤滑分析（EHD）模型，考慮到了軸頸軸瓦的表面形貌效應、彈性變形、供油情況以及油膜的空穴效應，對各檔軸承的最小油膜厚度、最大油膜壓力情況做了具體的分析。各檔主軸承以AVL公司的許用最小油膜厚度為標準，均滿足要求；最大油膜壓力為第二檔軸承的45.72 MPa，滿足設計的要求；各檔主軸承的油膜情況符合要求，在供油區域，油膜填充率為1，而油膜破裂處，填充率最小。

（2）影響軸承潤滑情況的因素很多，在進行軸承動力潤滑時應考慮更多的因素，以保證結果的準確性。

（3）在發動機研發階段，充分利用AVL等分析軟件能夠較方便地進行結構分析與結果預測，能夠提高研發效率和降低研制成本。

[1]孫軍,桂長林,李震等.計及軸頸傾斜的徑向滑動軸承流體動力潤滑分析[J].機械工程學報,2004,15（17）：1565-1583.

[2]溫詩鑄.摩擦學原理[M].北京：清華大學出版社,1990.

[3]于開平,周傳月,譚惠豐.Hyper Mesh從入門到精通[M].北京：科學出版社,2005.5.

[4]王勇,張虎,張振興.基于AVL EXCITE Power U nit某汽油機曲軸軸承潤滑分析 [C].AVL先進模擬技術中國用戶大會論文,2013.

[5]AVL. EXCITE version 2013 EXCITE Powerunit U sergui d e[M].AVLU ser M annuals,2013.