山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院 郭媛 崔志琴 吳迪 徐海龍 李學(xué)民

引言

發(fā)動機80%的功率損失都來自于內(nèi)外部的摩擦，而有一大部分是由于摩擦副部件引起的，在這其中，發(fā)動機曲軸及軸頸是主要摩擦副之一，在發(fā)動機曲軸軸承摩擦學(xué)性能研究中，獲得軸承軸心軌跡等特性參數(shù)是主要內(nèi)容之一。本文以某直列四缸發(fā)動機作為研究對象，建立多體動力學(xué)潤滑仿真模型，通過對相應(yīng)軸承的軸心軌跡進(jìn)行監(jiān)測和分析來預(yù)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(xiàn)代流體動力潤滑理論的基礎(chǔ)。依據(jù)流體力學(xué)的基本力學(xué)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，由于有限元模型有相應(yīng)節(jié)點耦合的需求，如軸瓦與軸頸、曲柄銷與連桿大頭軸承的耦合，且計算量比較大，故一般需劃分成六面體單元，這樣不僅能在同樣的單元數(shù)與節(jié)點數(shù)上比四面體單元得到更高的數(shù)值精度，而且能夠較大程度地節(jié)省計算機運行時間。在結(jié)構(gòu)薄弱的地方，應(yīng)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(wǎng)格，這里采取6層加密網(wǎng)格。在Hypermesh中進(jìn)行手動網(wǎng)格劃分結(jié)果[3]如圖1所示。

圖1 曲軸有限元模型

圖2 主軸承有限元模型

在AVLEXCITE中對基本連接體和連接副進(jìn)行組建，建成如圖3所示的多體動力學(xué)仿真模型[4-5]。

3 軸心軌跡結(jié)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(wǎng)格根據(jù)軸瓦內(nèi)表面的有限元網(wǎng)格而定，選擇29×145的計算網(wǎng)格，在上軸瓦270°～90°范圍內(nèi)開設(shè)油槽和油孔，油槽寬度為8mm，油孔直徑為6mm，開設(shè)位置為上軸瓦0°，供油壓力為0.5MPa，空穴壓力為0.5MPa，綜合表面粗糙度為1.2μm。故可以根據(jù)仿真得到軸心軌跡來分析主軸承潤滑狀況。

內(nèi)燃機主軸承為動載軸承，在工作過程中，主軸承一直承受著大小和方向時刻變化的載荷，由于軸承載荷是周期性的，故最終的軸心變化形成一個閉合的軌跡，稱作軸心軌跡。任何時刻的軸頸位置與油膜狀態(tài)均可以通過軸心軌跡來獲得，分析軸心軌跡的變化情況，還能為軸承油孔、油槽的開設(shè)位置提供參考，預(yù)測可能發(fā)生的磨損及空穴狀況。圖3到圖7分別為五檔主軸承的軸心軌跡圖 (包括前端面、中心端面、后端面)，總體運轉(zhuǎn)狀況良好，其中，除第二檔主軸承外，其余各檔主軸承均存在不同程度的向心運動，特別是一、三、五檔主軸承在相應(yīng)區(qū)域的向心程度更明顯。同時，可以看到各檔主軸承在下瓦處偏心距較大，而上瓦較小，適于開設(shè)油孔、油槽。

圖4 第一檔主軸承軸心軌跡

圖5 第二檔主軸承軸心軌跡

圖6 第三檔主軸承軸心軌跡

圖7 第四檔主軸承軸心軌跡

圖8 第五檔主軸承軸心軌跡

4 結(jié)論

對主軸承進(jìn)行彈性流體動力潤滑研究，在主軸承與主軸頸的結(jié)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(yīng)、彈性變形、供油情況以及油膜的空穴效應(yīng)，對各檔軸承的軸心軌跡做了具體的分析。各檔主軸承的軸心軌跡分布基本走勢良好，同時可以看出軸承非承載區(qū)在上瓦，可以在此處開設(shè)油槽和油孔。

[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(xué)報,2004,15（17）：1565-1583.

[2]溫詩鑄.摩擦學(xué)原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,1990.

[3]于開平,周傳月,譚惠豐.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社,2005.5.

[4]王勇,張虎,張振興.基于AVL EXCITEPowerUnit某汽油機曲軸軸承潤滑分析[C].2013 AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會論文.

[5]AVL. EXCITE version 2013 EXCITEPowerunitUserguide[M].AVL UserMannuals,2013.