曲轴支撑刚度对主轴承螺栓载荷分布的影响

孙军，胡玉平，倪培相（.天润曲轴股份有限公司研究所，文登64400；.山东大学能源与动力工程学院，济南5006）

曲轴支撑刚度对主轴承螺栓载荷分布的影响

孙军1，胡玉平2，倪培相1
（1.天润曲轴股份有限公司研究所，文登264400；2.山东大学能源与动力工程学院，济南250061）

某发动机在正常工作过程中发生主轴承螺栓松动及断裂现象，有时甚至会导致曲轴断裂。运用GT-CRANK软件分析主轴承壁刚度对主轴承负荷的影响，确定曲轴在发动机实际工作过程中的应力分布情况，进而确定螺栓断裂原因。结果表明，各个主轴承壁刚度的差异影响各个主轴承负荷的大小及分配；当主轴承螺栓拧紧力矩不足且一致性较差时，第2主轴承螺栓因承受的载荷最大而最容易出现松动或断裂。

曲轴 支承刚度 主轴承螺栓 负荷

1　引言

柴油机螺栓的失效分析以及相应的质量改进和控制措施对保证柴油机生产的正常进行，提高柴油机的产量，确保柴油机的可靠型、安全性和经济性，都具有重要的意义［1，2］。

某发动机在正常工作过程中发生主轴承螺栓松动及断裂现象，有时甚至会导致曲轴断裂。本文利用GT-CRANK分析主轴承壁刚度对主轴承负荷的影响，并进行机体组的约束模态分析，以评估机体振动对主轴承壁的影响，最终确定了主轴承螺栓的断裂原因。

2　模型建立和刚度计算

为了分析主轴承壁刚度对主轴承负荷的影响，建立了轴系三维梁弯曲准静态计算模型，如图1所示。该模型中考虑了曲轴各个半拐、各个主轴承壁以及安装支架的刚度。该型号柴油机的主要参数见表1。

轴系扭振动力学计算需要轴系各部分的转动惯量、扭转刚度、阻尼等关键数据。轴系弯曲动力学计算采用三维梁准静态方法，需要准确确定三维梁的质量及刚度。通过对曲轴半个曲拐进行有限元计算，可准确确定动力学计算所需各种刚度的大小。在利用有限元确定曲轴半拐刚度时，确保约束、载荷、材料数据、提取刚度的方法正确之外，还要保证网格质量及大小适当［3］。

图1　轴系动力学模型

表1　柴油机轴系动力学计算所需的主要参数

在机体上安装支架联接处以及飞轮壳联接处施加固定约束，沿+X、-X及-Y方向在每个主轴承孔内壁上分别单独施加120°余弦分布的压力，计算轴承孔的平均变形量，从而确定各个主轴承壁的刚度。

在安装支架与底盘联接处施加固定约束，在安装支架与机体联接处施加单位载荷，计算其平均位移，确定X、Y、Z三个方向的刚度。

在飞轮壳安装支撑与底盘联接处施加固定约束，在飞轮壳与机体联接螺栓孔处施加单位载荷，计算其平均位移，确定X、Y、Z三个方向的刚度。

3　分析与讨论

3.1主轴承壁刚度未降低的情况

在各主轴承壁刚度未发生变化的情况下，原机各主轴承负荷随曲柄转角的变化曲线如图2所示。由该图可见，第2档主轴承负荷的最大值明显高于其他主轴承负荷的最大值，因此，第2档主轴承盖上的螺栓所承受的载荷最大，这主要是因为第1档主轴承壁的支撑刚度明显低于其他主轴承壁的支撑刚度。

图3为主轴承壁刚度未降低时原机的第2档主轴承的轴承负荷图，可见图中的最大主轴承负荷为102.4 kN，作用在92.4°位置处。

图2　原机主轴承负荷变化曲线

3.2单个主轴承壁刚度降低的情况

图4～图10分别为第1档～第7档主轴承壁刚度分别单独减低25%时各主轴承负荷随曲柄转角的变化曲线。由图可见，某主轴承壁刚度的减低将使本档主轴承负荷减小，却造成了相邻主轴承负荷增大。若第1档主轴承壁刚度减低，将进一步增大第2档主轴承的负荷，第2档主轴承螺栓所承受的载荷也随之增大。

图11～图15分别为第1、第2、第3、第4、第5档主轴承刚度单独降低25%、50%、75%时轴承负荷的变化。由图可知，单个主轴承壁刚度降低50%时将造成轴承负荷最大增加10%～15%左右；单个主轴承壁刚度降低75%时将造成轴承负荷最大增加30%～35%左右。

图3　原机第2档主轴承的轴承负荷图

图4　第1档主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

图5　第2档主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

图6　第3档主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

图7　第4档主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

图8　第5档主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

3.3两个主轴承壁刚度同时降低的情况

图9　第6档主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

图10　第7档主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

图11　第1档主轴承刚度降低时轴承负荷的变化

图16～图19分别为第1与第2档、第2与第3档、第3与第4档、第1与第3档主轴承刚度同时降低25%、50%、75%时轴承负荷的变化。由图可知，两个主轴承壁刚度降低50%时将造成轴承负荷最大增加10%～20%左右；两个主轴承壁刚度降低75%时将造成轴承负荷最大增加30%～40%左右；在第1档与第3档主轴承壁刚度降低时，第2主轴承负荷最大。

3.4所有主轴承壁刚度降低25%的情况

图12　第2档主轴承刚度降低时轴承负荷的变化

图13　第3档主轴承刚度降低时轴承负荷的变化

图14　第4档主轴承刚度降低时轴承负荷的变化

图20为所有主轴承壁刚度均减低25%时，各主轴承负荷随曲柄转角的变化曲线。由图可见，各主轴承壁刚度整体降低25%不会造成轴承负荷的分配发生明显变化。在实际使用过程中，由于各主轴承所承受的载荷不完全相同，以及各主轴承螺栓拧紧情况存在差异，各主轴承壁刚度整体统一变化的可能性较小。

4　结论

（1）各主轴承壁刚度的差异性影响各个主轴承负荷的大小及分配。

（2）因第1档主轴承壁沿气缸轴线方向的支撑刚度明显低于其他主轴承壁，第2档主轴承螺栓承受的载荷最大。

图15　第5档主轴承刚度降低时轴承负荷的变化

图16　第1档、第2档主轴承刚度同时降低时轴承负荷的变化

图17　第2档、第3档主轴承刚度同时降低时轴承负荷的变化

（3）某个主轴承壁刚度的降低将会造成其相邻主轴承负荷增大。

（4）当主轴承螺栓拧紧力矩不足，且一致性较差时，第2档主轴承螺栓因承受的载荷最大而最容易出现松动或断裂。

图18　第3档、第4档主轴承刚度同时降低时轴承负荷的变化

图19　第1档、第3档主轴承刚度同时降低时轴承负荷的变化

图20　所有主轴承壁刚度降低25%时主轴承负荷变化曲线

［1］林湖，朱正德，陈强努等.螺栓装配技术中扭矩法与转角法比较研究［J］.汽车工艺与材料，2003 （9）：41-44.

［2］于洪.螺纹联接预紧力控制及其工艺参数的确定［J］.山东内燃机，2005（5）：29-34.

［3］熊云奇，张琼敏，濮进等.发动机重要螺栓装配工艺研究［J］.汽车科技，2003（5）：28-30.

The Impactof the CrankshaftSupportStiffness to theMain Bearing Bolt Load Distribution

Sun Jun1，Hu Yuping2，NiPeixiang1
（1.TianRun CrankshaftCo.，Ltd.，Wendeng264400，China；2.SchoolofEnergy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

A engine that during normaloperation，the occurrence ofmain bearing bolts loosening and breakage，and sometimeseven lead to the crankshaft fracture.Apply GT-CRANK software toanalyze impact of themain bearingwallstiffness to themain bearing load，determine the stress distribution of the crankshaft in the engine actual work process，and to determine the bolt fracture cause.The results show that the respective main bearing wall stiffness differences affect the size and distribution of the respective main bearing load.when themain bearing bolt tightening torque is insufficient and the consistency is poor，the secondmain bearingboltswithstand the largest loadmostprone to looseningor fracture.

crankshaft，bearing stiffness，main bearing bolts，load

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.009

来稿日期：2016-01-16

孙军（1974-），男，高级工程师，主要研究方向为发动机零部件设计研发。