羅德民 尹長城 岳國生

（1-湖北汽車工業(yè)學(xué)院 湖北 十堰 442000 2-襄陽群龍汽車部件股份有限公司）

引言

滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)中，軸心軌跡的計(jì)算得到廣泛的應(yīng)用，其中裘祖千等人[1]基于已有的計(jì)算方法，加入H.Christensen 提出的隨機(jī)粗糙模型，進(jìn)行軸承粗糙的特性分析和軸心軌跡計(jì)算。費(fèi)運(yùn)嘉等人[2]通過加工工藝、尺寸等多個(gè)方面的分析，尋找大功率發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦的失效原因。張超[3]對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中提出的復(fù)圓度進(jìn)行研究，探尋其對(duì)連桿軸瓦彈性流體動(dòng)力潤滑特性的影響。張芳等人[4]對(duì)柴油機(jī)軸瓦失效機(jī)理進(jìn)行闡述，分析了幾種情況對(duì)軸瓦失效的影響，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

連桿作為動(dòng)力傳遞的主要零件，承受著交變的壓縮和拉伸載荷，要求連桿軸瓦具有更高的可靠性同時(shí)還需有好的潤滑性能，連桿軸瓦的潤滑來源有以下幾個(gè)方面：

1）連桿軸瓦的自身材料涂層；

2）曲柄銷油道供油潤滑；

3）機(jī)箱內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)零件甩出的油霧潤滑。

其中最主要的潤滑途徑為曲柄銷油道供油潤滑，為了能夠最大程度提高潤滑效率，曲柄銷的供油口以及軸瓦潤滑油槽設(shè)計(jì)則顯得尤為重要。

在設(shè)計(jì)階段，為尋求最優(yōu)油槽開設(shè)位置，利用AVL_EXCITE_Powerunit 建立連桿動(dòng)力學(xué)模型，采用EHD 運(yùn)動(dòng)副建立軸瓦潤滑模型。模型中將連桿作為柔性體，考慮連桿體自身剛度對(duì)軸瓦的支撐，使?jié)櫥Ｐ透泳_。EHD 結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)可以詳細(xì)地考慮軸瓦潤滑的動(dòng)力學(xué)特性。通過動(dòng)力學(xué)分析，得到軸心軌跡和粗糙軸承潤滑結(jié)果，為軸瓦的初期設(shè)計(jì)潤滑方案提供指導(dǎo)。

1 連桿動(dòng)力學(xué)模型

本文主要對(duì)連桿軸瓦的潤滑方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，只需要搭建連桿體的動(dòng)力學(xué)模型。借助AVL 軟件搭建動(dòng)力學(xué)模型，首先需要通過有限元縮減獲得連桿體的質(zhì)量信息和剛度信息。

1.1 連桿縮減模型

通過CAD 軟件對(duì)連桿進(jìn)行幾何清理，如圖1 所示。并對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行變換，其中X 軸作為旋轉(zhuǎn)軸方向，Z 軸正方向作為氣缸軸線方向。通過有限元軟件對(duì)連桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。連桿體采用C3D10M 單元，連桿大頭軸瓦采用C3D8R 單元，小頭采用M3D4 膜單元與連桿體連接。其中C3D8R 和M3D4 單元作為EHD 中計(jì)算油膜潤滑形成HD 差分網(wǎng)格。大小頭的劃分采用AVL7 的標(biāo)準(zhǔn)，提高計(jì)算精度，盡可能準(zhǔn)確地模擬軸瓦處的潤滑情況。材料參數(shù)如表1 所示。

圖1 連桿CAD 模型

圖2 連桿有限元模型

表1 材料參數(shù)

1.2 連桿EHD 模型

選取發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)9 500 r/min 作為計(jì)算工況，其對(duì)應(yīng)的缸壓曲線通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得如圖3 所示。EHD 模型參數(shù)如表2 所示。連桿動(dòng)力學(xué)模型2D 視圖如圖4 所示，連桿動(dòng)力學(xué)模型3D 視圖如圖5 所示。

圖3 缸壓曲線

表2 EHD 模型參數(shù)

圖4 連桿動(dòng)力學(xué)模型-2D

圖5 連桿動(dòng)力學(xué)模型-3D

1.3 EHD 理論

EHD 計(jì)算聯(lián)合了雷諾方程、能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，經(jīng)連續(xù)迭代求解。

1）雷諾方程

計(jì)算動(dòng)載荷作用下軸承內(nèi)油膜壓力雷諾方程如公式（1）所示，雷諾方程表征了油膜厚度和壓力與表面速度、間隙變化和擠壓效應(yīng)的關(guān)系。油膜厚度和壓力成反比、和速度成正比。所以載荷越大、油膜壓力越高，油膜就越薄。當(dāng)油膜厚度小到一定程度時(shí)出現(xiàn)表面輪廓峰的相互作用，此時(shí)油膜就可能發(fā)生破裂。

式中：h 為配合間隙；p 為油膜壓力；u1為主軸頸線速度；u2為軸瓦線速度；η 為機(jī)油粘度系數(shù)。

2）質(zhì)量守恒方程

式中：ρ 為密度；u 為X 方向速度；γ 為Y 方向速度；ω為Z 方向速度；

3）能量守恒方程

式中：ζα為局部應(yīng)力系數(shù)；u 為軸頸軸向速度；η 為機(jī)油動(dòng)力粘度。

4）控制方程

EHD 模型通過控制軸瓦、油膜、曲柄銷三者之間傳遞的動(dòng)態(tài)壓力與間隙值，進(jìn)行耦合計(jì)算，讓動(dòng)力學(xué)方程與雷諾方程相互迭代，最終使方程結(jié)果穩(wěn)定收斂。

軸瓦運(yùn)動(dòng)方程：

式（4）與式（5）之間進(jìn)行壓力與間隙值傳遞計(jì)算。

油膜雷諾方程：

式（5）與式（6）之間進(jìn)行壓力與間隙值傳遞計(jì)算。

曲柄銷運(yùn)動(dòng)方程：

2 曲柄銷油孔設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)前期，先進(jìn)行初步的連桿潤滑動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到曲柄銷軸心運(yùn)動(dòng)軌跡，圖6 為連桿大頭示意圖，圖7a 為曲柄銷左邊緣軸心運(yùn)動(dòng)軌跡圖，圖7b 為曲柄銷中間軸心運(yùn)動(dòng)軌跡圖，圖7c 為曲柄銷有邊緣軸心運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖6 連桿大頭示意圖

圖7 曲柄銷軸心軌跡

根據(jù)曲柄銷軸心運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，下軸瓦區(qū)為主要接觸區(qū)域，屬于高壓承載區(qū)域。為了使?jié)櫥晚槙车剡M(jìn)入到軸瓦間隙，將油孔或者油槽開設(shè)在上軸瓦區(qū)域，減少進(jìn)油阻力。曲柄銷左右兩端相對(duì)于中心的軸心偏移距離較遠(yuǎn)，盡量不在軸瓦上開設(shè)油槽，以免降低軸瓦剛度。

根據(jù)軸心偏移軌跡，軸瓦0°到90°為反復(fù)承載區(qū)域，270°到360°區(qū)域承載相對(duì)較低。對(duì)0°、45°、315°三個(gè)油孔開設(shè)區(qū)域進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確定油孔最佳開設(shè)位置。

3 軸瓦潤滑設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

EHD 模型中油孔0°、45°、315°開設(shè)位置分別如圖8 中a、b、c 所示（軸瓦坐標(biāo)系下）：

圖8 油孔開設(shè)方案

3.1 摩擦損失功

軸瓦與軸頸間由于粗糙摩擦損失的功如圖9 所示，一個(gè)周期內(nèi)平均摩擦損失能量如圖10 所示。

圖9 粗糙摩擦損失功

圖10 平均摩擦損失功

對(duì)比三個(gè)油孔開設(shè)方案的摩擦損失功，其中45°開設(shè)方案由于處在反復(fù)承壓區(qū)域，潤滑油進(jìn)入軸瓦區(qū)域阻力較大，不利于潤滑油膜形成，摩擦損失的能量較大；315°開設(shè)方案處于低壓區(qū)域，潤滑油能夠順利進(jìn)入軸瓦間，有利于潤滑油膜的形成，摩擦損失的能量較低；0°位置處于45°與315°之間，摩擦損失能量介于兩者之間。

3.2 峰值粗糙接觸壓力

軸瓦與軸頸之間由于粗糙接觸壓力峰值如圖11所示，一個(gè)周期內(nèi)平均粗糙接觸壓力平均值如圖12所示。

圖11 峰值粗糙接觸壓力

圖12 平均粗糙接觸壓力

對(duì)比三個(gè)油孔開設(shè)方案的粗糙接觸壓力，45°開設(shè)方案的平均粗糙接觸壓力較大，該位置作為反復(fù)受壓區(qū)域，不利于潤滑油進(jìn)入軸瓦間隙，315°開設(shè)方案的平均粗糙接觸壓力較小，有利于潤滑油流入軸瓦間隙。

3.3 平均粗糙熱負(fù)載

0°、45°、315°三種方案對(duì)應(yīng)軸瓦平均粗糙熱負(fù)載如圖13 中a、b、c 所示。

圖13 三種方案平均粗糙熱負(fù)載

根據(jù)軸瓦平均粗糙熱負(fù)載位置分布圖中箭頭所指區(qū)域，0°與45°油孔開設(shè)方案熱負(fù)載局部變化較小，315°位置開設(shè)油孔，熱負(fù)載降低明顯，潤滑效果比前兩種方案較好。

4 結(jié)論

本文通過AVL_Excite 軟件建立連桿大頭潤滑動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算出曲柄銷軸心在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的軌跡。通過軌跡粗略選出軸瓦低壓承載區(qū)，輔助設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段選定油孔開設(shè)區(qū)域。將設(shè)計(jì)方案帶入動(dòng)力學(xué)模型中，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證。

1）根據(jù)軸心軌跡，其中上軸瓦為低壓承載區(qū)域，下軸瓦為高壓承載區(qū)域。軸瓦一周在0°到90°為反復(fù)承載區(qū)域，270°到360°為低壓承載區(qū)域。考慮加工工藝，選定曲柄銷油孔開設(shè)區(qū)域?yàn)?°、45°、315°。

2）粗糙摩擦損失功、峰值粗糙接觸壓力、平均粗糙熱負(fù)載三項(xiàng)指標(biāo)分別反映軸瓦與曲柄銷之間由于粗糙接觸產(chǎn)生的能量損失、接觸壓力以及熱負(fù)載，其中315°油孔開設(shè)方案對(duì)應(yīng)這三項(xiàng)指標(biāo)最小，有利于潤滑油進(jìn)入軸瓦間隙，降低軸瓦與曲柄銷之間的粗糙摩擦，潤滑效果最好。