考虑流体动力润滑的曲轴轴心轨迹计算

2015-01-28山西中北大学机电工程学院郭媛崔志琴吴迪徐海龙李学民

河北农机 2015年11期

山西中北大学机电工程学院郭媛崔志琴吴迪徐海龙李学民

引言

发动机80%的功率损失都来自于内外部的摩擦，而有一大部分是由于摩擦副部件引起的，在这其中，发动机曲轴及轴颈是主要摩擦副之一，在发动机曲轴轴承摩擦学性能研究中，获得轴承轴心轨迹等特性参数是主要内容之一。本文以某直列四缸发动机作为研究对象，建立多体动力学润滑仿真模型，通过对相应轴承的轴心轨迹进行监测和分析来预测轴承的润滑性能[1]。

1 流体动压润滑理论

雷诺方程是计算流体动压润滑的基本润滑方程，描述了流体动压润滑的机理，奠定了现代流体动力润滑理论的基础。依据流体力学的基本力学方法得到了雷诺方程：

其中:h为油膜厚度，η为流体动力粘度，p为油膜压力，U1为第一个表面的速度，U2为第二个表面的速度，x、z分别代表两个垂直油膜的方向，t为时间，代表油膜厚度的变化代表油膜相对离开的速度[2]。

2 仿真模型的建立

对于曲轴润滑问题的研究，大多采取有限元模型，由于有限元模型有相应节点耦合的需求，如轴瓦与轴颈、曲柄销与连杆大头轴承的耦合，且计算量比较大，故一般需划分成六面体单元，这样不仅能在同样的单元数与节点数上比四面体单元得到更高的数值精度，而且能够较大程度地节省计算机运行时间。在结构薄弱的地方，应力梯度变化较大，如曲柄销与主轴颈的过渡圆角处等需要加密网格，这里采取6层加密网格。在Hypermesh中进行手动网格划分结果[3]如图1所示。

图1 曲轴有限元模型

图2 主轴承有限元模型

在AVLEXCITE中对基本连接体和连接副进行组建，建成如图3所示的多体动力学仿真模型[4-5]。

3 轴心轨迹结果分析

本文采用的是EXCITE中的弹性液动润滑轴承，利用差分法来计算偏微分方程的解，具体的差分网格根据轴瓦内表面的有限元网格而定，选择29×145的计算网格，在上轴瓦270°～90°范围内开设油槽和油孔，油槽宽度为8mm，油孔直径为6mm，开设位置为上轴瓦0°，供油压力为0.5MPa，空穴压力为0.5MPa，综合表面粗糙度为1.2μm。故可以根据仿真得到轴心轨迹来分析主轴承润滑状况。

内燃机主轴承为动载轴承，在工作过程中，主轴承一直承受着大小和方向时刻变化的载荷，由于轴承载荷是周期性的，故最终的轴心变化形成一个闭合的轨迹，称作轴心轨迹。任何时刻的轴颈位置与油膜状态均可以通过轴心轨迹来获得，分析轴心轨迹的变化情况，还能为轴承油孔、油槽的开设位置提供参考，预测可能发生的磨损及空穴状况。图3到图7分别为五档主轴承的轴心轨迹图 (包括前端面、中心端面、后端面)，总体运转状况良好，其中，除第二档主轴承外，其余各档主轴承均存在不同程度的向心运动，特别是一、三、五档主轴承在相应区域的向心程度更明显。同时，可以看到各档主轴承在下瓦处偏心距较大，而上瓦较小，适于开设油孔、油槽。