某柴油機主軸承壁有限元分析

寧科亮，倪成鑫，鄭久林

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

前言

柴油機主軸承壁厚、主軸承蓋用于裝配曲軸，在柴油機運轉過程中受力很大，需重點關注受力情況下的變形及應力集中情況，保證柴油機可以安全運轉。

1 分析目的

在某柴油機開發設計階段，需要對主軸承壁、主軸承蓋在裝配預緊力與動載下的變形與應力進行評估，并計算疲勞安全系數：

（1）建立主軸承座、主軸承蓋、主軸瓦以及螺栓等有限元模型。定義有限元分析邊界條件與計算步載荷施加；

（2）進行有限元分析，主要分析計算螺栓預緊力、軸瓦過盈配合與油膜動態載荷作用下主軸承座與主軸承蓋的應力和變形；

（3）評價應力與變形結果；

主軸承孔變形，變形量應小于軸瓦安裝間隙評價各載荷步下主軸承壁與主軸承蓋的應力，應力大小應小于材料屈服極限。

（4）評價分隔面特性，包括分離與滑移。保證接觸壓力為正，滑移量小于10μm；

（5）評價最小過盈量下的軸瓦背壓，背壓應大于9.5MPa；

（6）疲勞安全系數計算，疲勞安全系數應大于1.1。

2 分析過程

2.1 參數輸入

主軸承壁分析包括的缸體、缸蓋、中間箱體等各部件材料屬性如表1所示。

2.2 網格劃分

本FEA模型是由主軸承座、主軸承蓋、主軸承螺栓、主軸瓦、加強板和定位銷組成的裝配件。有限元網格由Hyper Mesh劃分，網格類型選擇C3D10M，計算采用ABAQUS解算器。有限元模型如圖1所示。

表1 各部件材料屬性

圖1 有限元模型

2.3 邊界條件設置

主軸承壁分析載荷有各螺栓的預緊力、軸瓦過盈量、缸壓以及油膜的EHD力。分析中包括多個分析步，不同的分析目標有不同的載荷工況。

（1）ASSEMBLY+SHELL CRUSH。重點：螺栓預緊力與軸瓦過盈量必須一次性加載，設置不同的載荷施加振幅，要使軸瓦首先順利的安裝然后再施加全部的螺栓預緊力。

（2）FIXING BOLTS。螺栓預緊力被保持螺栓當前長度取代。

（3）OPERATING LOAD。加載EHD力。

圖2 1600rpm下軸承受力與力矩

分析目標所要求的工況：

軸瓦背壓——最小預緊力與最小過盈量。

滑移面情況——最小預緊力、最大過盈量與EHD力。

疲勞安全系數——最大預緊力、最大過盈量與EHD力。

軸承孔變形——最大過盈量與EHD力。

軸瓦油膜壓力由曲軸動力學計算得出，圖2、3為1600rpm與2900rpm轉速下的軸承受力與力矩。

圖3 2900rpm下軸承受力與力矩

選出EHD載荷工況如表2所示。

表2 EHD載荷工況

有限元模型螺栓及缸體、缸蓋之間的接觸使用TIE進行綁定，主軸瓦與缸體、缸體與中間箱體、主軸瓦上下瓦、主軸瓦與中間箱體之間的接觸面使用contact進行設置，邊界及約束條件如圖4、5所示。

圖4 接觸設置情況

圖5 約束設置情況

3 分析結果

主軸承壁與主軸承蓋的最大主應力均未超過其材料的抗拉極限及抗壓極限，螺栓安裝面等部位應力超出存在變異情況，不予考慮。主軸承壁與主軸承蓋的應力云圖如圖6-9所示。缸體、中間箱體材料為HT250，材料的抗拉極限250MPa，抗壓極限-750MPa。

圖6 2900rpm下缸體及中間箱體的最大主應力云圖

圖7 2900rpm下缸體及中間箱體的最小主應力云圖

圖8 1600rpm下缸體及中間箱體的最大主應力云圖

圖9 1600rpm下缸體及中間箱體的最小主應力云圖

軸瓦背壓如圖10所示，軸瓦背壓為13MPa大于9.5MPa。軸瓦最大切向應力為280MPa，如圖11所示。

圖10 軸瓦背壓云圖

圖11 軸瓦切向應力云圖

主軸承蓋接觸面無分離，接觸面最大滑移量如下圖所示，最大滑移量為0.5μm，小于10μm的限值要求。

在疲勞安全系數計算中，額定轉速2900rpm轉速下，缸體部分的最小安全系數為1.4，中間箱體最小安全系數為1.15，均大于1.1的最小安全系數的限值要求，如圖10所示；最大扭矩轉速1600rpm轉速下，缸體部分的最小安全系數為1.35，中間箱體最小安全系數為1.17，均大于1.1的最小安全系數的限值要求，如圖11所示。

圖12 主軸承蓋滑移量云圖

圖13 2900rpm疲勞安全系數云圖

圖14 1600rpm疲勞安全系數云圖

4 結論

本文對某柴油機主軸承進行了有限元分析，結論如下：

（1）主軸承壁與主軸承蓋的最大主應力均未超過其材料的抗拉極限及抗壓極限，螺栓安裝面等部位應力超出存在變異情況，不予考慮。

（2）軸瓦背壓大于9.5MPa的限值，滿足要求。

（3）主軸承蓋接觸面無分離，接觸面最大滑為0.5μm，小于10μm的限值要求。

（4）額定轉速2900rpm轉速下，缸體部分的最小安全系數為1.4，中間箱體最小安全系數為1.15，均大于1.1的最小安全系數的限值要求；最大扭矩轉速1600rpm轉速下，缸體部分的最小安全系數為1.35，中間箱體最小安全系數為1.17，均大于1.1的最小安全系數的限值，滿足要求。

5 建議

適當關注安全系數較小區域的澆注工藝和表面質量，這些因素對疲勞安全系數影響較大。