山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院 郭媛 崔志琴 吳迪
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。其中,發(fā)動機曲軸及軸頸是主要摩擦副之一,主軸承每時每刻都承受著周期性交替變化著的氣體爆發(fā)壓力和曲柄連桿活塞等部件的慣性力作用,如果摩擦副之間的油膜不能很好地潤滑軸瓦、軸頸表面,就會引起部件間劇烈地磨損,從而使得部件失效。因此,對于軸承的潤滑狀況研究非常必要,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)軸承的基本參數(shù)進行監(jiān)測和分析,從而預(yù)測軸承的潤滑性能[1]。
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]。
對于曲軸潤滑問題的研究,大多采取有限元模型,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,而且能夠在較大程度上節(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
在AVL EXCITE中對基本連接體和連接副進行組建,建成如圖2所示的多體動力學(xué)仿真模型[4][5]。
圖2 AVL EXCITE中仿真二維邏輯連接圖
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8 mm,油孔直徑為6 mm,開設(shè)位置為上軸瓦0°,供油壓力為0.5 MPa,空穴壓力為0.5 MPa,綜合表面粗糙度為1.2μm。故可以根據(jù)仿真得到的最小油膜厚度、最大油膜壓力來分析主軸承潤滑狀況。
對最小油膜厚度的分析,能夠判斷出各種情況下油膜的運行危險工況是否在需用范圍內(nèi),對衡量軸承的潤滑好壞極其相關(guān)。圖3為各檔主軸承在一個工作循環(huán)內(nèi)的最小油膜厚度曲線。
圖3 各檔主軸承最小油膜厚度曲線
參考奧地利李斯特研究所所推薦的許用軸承最小油膜厚度的統(tǒng)計值標準,可知各檔主軸承的最小油膜厚度均大于其許用值,因此,可以判斷各檔主軸承的工作可靠性。雖然第三檔主軸承的最小油膜厚度接近許用值,但據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計顯示,有些發(fā)動機即使其主軸承工作在較小的油膜厚度下,仍然具有較高的可靠性,這應(yīng)該是在軸瓦的結(jié)構(gòu)內(nèi)部有一層與結(jié)構(gòu)能兼容且具有良好順應(yīng)性的合金層。
最大油膜壓力與最小油膜厚度一樣,同樣是衡量軸承潤滑狀況的重要指標。圖4為各檔曲軸的最大油膜壓力。據(jù)相關(guān)資料顯示,車用發(fā)動機在正常情況下,最大油膜壓力不超過100~150 MPa,可知五檔軸承運轉(zhuǎn)正常。最大油膜壓力的分布情況與主軸承的垂向載荷分布類似,一般情況下,當某缸在點火時刻,相鄰的主軸承載荷會增大,相應(yīng)的油膜壓力也增大,而離其較遠的軸承油膜壓力較小,如第二、四主軸承情況很明顯,而第一、三、五檔主軸承由于前面所述的主軸承載荷中慣性力主導(dǎo)的原因,則油膜壓力規(guī)律不明顯。
圖4 各檔主軸承最大油膜壓力曲線
(1)對主軸承進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),對各檔軸承的最小油膜厚度、最大油膜壓力情況做了具體的分析。各檔主軸承以AVL公司的許用最小油膜厚度為標準,均滿足要求;最大油膜壓力為第二檔軸承的45.72 MPa,滿足設(shè)計的要求;各檔主軸承的油膜情況符合要求,在供油區(qū)域,油膜填充率為1,而油膜破裂處,填充率最小。
(2)影響軸承潤滑情況的因素很多,在進行軸承動力潤滑時應(yīng)考慮更多的因素,以保證結(jié)果的準確性。
(3)在發(fā)動機研發(fā)階段,充分利用AVL等分析軟件能夠較方便地進行結(jié)構(gòu)分析與結(jié)果預(yù)測,能夠提高研發(fā)效率和降低研制成本。
[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.Hyper Mesh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 EXCITE Power U nit某汽油機曲軸軸承潤滑分析 [C].AVL先進模擬技術(shù)中國用戶大會論文,2013.
[5]AVL. EXCITE version 2013 EXCITE Powerunit U sergui d e[M].AVLU ser M annuals,2013.