主轴承壁强度计算载荷获取方法对比研究

郑茂勇 黄鹏 孙振宇

摘要： 针对某机型柴油机机体主轴承壁，分别采用两种不同的主轴承载荷处理方式对机体主轴承壁强度进行计算分析，对比得出两种载荷处理方式对计算结果的影响，为柴油机设计过程中较快速、合理地对机体主轴承强度进行评价、优化提供参考。

Abstract： For main bearing wall of one engine， using two methods of simulating main bearing loads to calculate MBW HCF safety， find out difference of  the two methods in process of simulating MBW HCF safety. If the difference of the two methods could be considered reasonably in process of FEA of main bearing wall， the design of main bearing wall could be improved effectually.

关键词： 机体主轴承壁;高周疲劳安全系数;轴承载荷

Key words： main bearing wall;HCF safety;main bearing loads

中图分类号：TK429                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）19-0026-02

0  引言

借助EXCITE Designer及EXCITE Power Unit软件获取柴油机机体主轴承载荷，对于获取的EXCITE Designer结果采取经验公式的方式进行偏移分布加载到主轴承轴瓦上;对于EXCITE Power Unit计算得出的EHD载荷载荷采用直接映射的方式映射至轴瓦有限元网格上。对比得出两种载荷处理方式对机体主轴承壁强度计算结果的影响。

1  机体主轴承壁强度计算大致流程

柴油机机体主轴承壁强度计算分析流程如图1所示。包括几何模型输入、网格划分、计算获得载荷条件、约束与边界设置、求解评价等环节。本文主要针对载荷条件对机体主轴承壁强度计算结果的影响进行详细对比论述，对机体主轴承壁详细计算过程不做赘述。

2  主轴承载荷获取

机体主轴承壁计算过程中，机体主轴承壁强度计算结果主要受模型约束边界、主轴瓦及衬套过盈量、螺栓预紧力及主轴承载荷的影响。因主轴瓦及衬套过盈量及螺栓预紧力可以通过实际测量获得，除去计算模型网格及约束边界条件的影响，对计算结果精度影响最大的因素来之于主轴承载荷的获取途径及精度。本文针对主轴承壁强度计算的主轴承载荷均借助AVL-EXCITE软件通过两种途径获得。

2.1 EXCITE Designer主轴承载荷获取  一种机体主轴承壁载荷的获取方式是参考AVL-EXCITE Designer软件计算得出的主轴承载荷，考虑到动力学因素的影响适当采用放大值，依据相关经验：柴油机动力学载荷约在静态载荷的基础上放大约20%，汽油机放大约30%～40%（本文以某型号柴油机为例，轴承载荷参考放大约20%）。主轴瓦载荷偏移量采用经验值往缸内压力大的气缸侧偏移。轴瓦上的合力按照轴向抛物线、径向120°余弦分布的方式施加。轴瓦力施加的方式如图2及式（1）所示。

式中：Fp为作用在轴瓦上的径向载荷，由DESIGNER软件计算得出，D为轴瓦直径，l=轴瓦宽度L×偏移百分比。

图3所示为本次计算所选用的六缸柴油机采用AVL-EXCITE Designer软件计算得出的第五主轴承载荷曲线。其中，径向合力大小为考虑柴油机缸内爆压气体力及曲轴、连杆、活塞惯性力的影响求得的主轴承载荷合力大小，轴向角度为主轴承合力与轴瓦所成的角度（以缸径垂直向上为零度，从前端看顺时针为正）。

2.2 EXCITE Power Unit主轴承载荷获取  另一种较精确的机体主轴承壁载荷的获取方式是采用AVL-PowerUnit软件计算得出的主轴承EHD油膜分布载荷，映射到有限元计算的主轴瓦内表面单元上获得相应轴瓦载荷。该方法主轴承载荷的计算过程中充分考虑了机体、曲轴及柴油机机前后端连接件的实际弹性和刚度，计算结果更接近于柴油机实际工作过程中的轴承载荷。图4所示为本次计算所选用的六缸柴油机采用AVL-EXCITE Power Unit软件计算得出的第五主轴承载荷曲线。其中，径向合力大小求得的主轴承EHD载荷合力大小，轴向角度为主轴承合力与轴瓦所成的角度（同样以缸径垂直向上为零度，从前端看顺时针为正）。

3  计算结果对比

采用两种方式获得的柴油机机体主轴承载荷分别对柴油机机体主轴承壁壁强度进行计算分析，本文主要對比考察了机体主轴承壁各关注部位高周疲劳安全系数这一重要指标。采用两种方式分别计算得到的机体主轴承壁高周疲劳安全系数云图如图5～图7所示，由图中可以看出：采用两种计算方式获得的主轴承载荷所计算得出的机体主轴承壁高周疲劳安全系数计算结果非常接近，经过对各位置高周疲劳安全系数较详细对比得出：两种载荷方式下机体主轴承壁主要考察区域的高周疲劳安全系数相差最多不超过8%。

4  结论

①对于高速柴油机来说，采用EXCITE Designer获取的轴承载荷，并考虑到动力学因素的影响，适当采用放大约20%采用经验公式分布加载到主轴承轴瓦上，与采用较精确的EXCITE Power Unit计算得出的EHD载荷采用直接映射的方式映射至轴瓦有限元网格上计算得出的机体主轴承壁高周疲劳安全系数非常接近，精度完全可以满足工程设计的要求。②在产品设计初期可以采用EXCITE Designer获取的轴承载荷较快速地对机体主轴承壁强度进行合理评价。

参考文献：

[1]周龙保，等.内燃机学[M].机械工业出版社.

[2]Excite Power Unit User Guide，AVL.

[3]陆际清，等.汽车发动机设计[M].清华大学出版社.