毕业设计（论文）-基于虚拟样机的柴油机动力学DOE设计分析.doc

毕毕业业设设计计( (论论文文) ) 题 目 基于虚拟样机的柴油机动力学 doe 设计分析 学生姓名 专业班级 机车 04-3 所在院系 交通运输工程学院 指导教师 职称 教授 所在单位 机车教研室 教研室主任 完成日期 2008 年 6 月 16 日 摘 要 柴油机虚拟样机技术是当今柴油机发展的主要方向，建立一个准确的与实际相吻 合的柴油机是进行柴油机虚拟计算的基础，在样机的基础上建立准确的主轴颈轴承模 型，并对其进行动力学计算分析。 传统的设计方法存在着开发周期较长，精度低等缺点。为此，本课题采用现代设 计方法之一虚拟样机技术，对机车柴油机轴系进行动力数值仿真及优化设计。gt- suite 是目前走在世界前列的柴油机仿真计算软件之一。本课题利用其 gt-crank 模块 来模拟 8v240 柴油机主轴颈轴承部分。我们主要通过对主轴径的运动学计算，来求出 主轴颈轴心的运动规律；我们在不同的边界条件进行对比下研究轴承润滑油的厚度变 化规律及润滑油温度的变化规律及轴承间隙对轴承润滑的影响。仿真得到的机构运动 学和动力学特性，与理论计算结果吻合较好，可为该型柴油机的曲柄连杆机构的优化 和改进进而确定相对较好的设计参数，为机车柴油机的改进设计提供依据。 关键词：连杆 气缸 曲柄 活塞 轴承 虚拟样机 abstract the technology of virtual prototype is the main direction of the diesel engine development， building an exactly diesel engine of inosculating with practice is the basic of launching on calculation of virtual prototype， and setting up the model of the crank train exactly on the base of prototype， and do some computing on kinetics. the traditional design is disadvantage for the reason of long period of exploitation and lower precision .so， adopting one of the present designs - technology of virtual prototype， to simulate the diesel engine shafts dynamically and optimize it. now gt- suite is one of the software of the diesel engine simulate computing， which is going ahead at the present time. we take the use of the module of the gt-crank to simulate the bearings in the crank train of 8v240 engine .we will get the movement of the crank train axes by calculating the kinematics crank train； knowing the journal orbit how to move，and knowing the effect of the lubricating ability when the oil film ， the temperature of the lubricating oil and the clearance of the bearing change under the different cases. the result of simulation is very conformable with theoretical computation， which supplies the foundation for optimization design modification of this engine .and the result gives the foundation for establishing the foundation of design improvement. key words：connecting rod cylinder crankshaft piston bearing virtual prototype 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 前言.1 1.2 虚拟样机技术简介.1 1.2.1 虚拟样机概念 .1 1.2.2 虚拟样机在柴油机动力学上的应用 .2 1.3 本课题研究的内容及目的意义.3 第二章第二章 曲柄连曲柄连杆杆机构组成及其计算分析机构组成及其计算分析 5 2.1 曲柄连杆机构的组成.5 2.1.1 曲轴组 .5 2.1.2 连杆组 .5 2.1.3 活塞组 .6 2.1.4 气缸 .7 2.1.5 轴承 .7 2.2 柴油机曲柄连杆机构运动学.7 2.3 柴油机曲柄连杆机构动力学.9 第三章第三章 建建立立 8 8v2v24 40 0 虚拟样机模块虚拟样机模块 .11 3.1gt 软件简介11 3.1.1 关于发动机软件 gt-crank 的介绍 .11 3.1.2gt-crank 软件模板库简介 11 3.1.3gt-crank 软件的使用 11 3.2 建立 8v240 柴油机模块12 3.3 虚拟样机各模块参数的输入13 3.3.1 气缸模块 13 3.3.2 活塞模型 14 3.3.3 连杆模型 15 3.3.4 曲轴模块 15 3.3.5 轴承模块 16 3.3.6 曲轴箱模块 17 3.4 模型的连接18 3.5 参变量的输入19 3.6 doe 参数的输入 20 3.7 软件运算21 3.8 模型的后处理工作22 第四章第四章 计算结果及分析计算结果及分析 .23 4.1 轴承间隙对主轴颈轴承影响23 4.2 润滑油温度对主轴颈轴承动力学性能的影响25 4.3 润滑油温度与轴承间隙对轴承性能的综合影响 .27 第五章第五章 结论结论 .28 致致谢谢 .29 参考文献参考文献 .30 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 前言 当前，我国铁路正向“高速重载”方向飞速发展。机车是实现“高速重载”的关 键，而柴油机又是内燃机车的“心脏”，柴油机轴系则是柴油机的重要组件。柴油机 的活塞、连杆、曲轴及主轴承共同构成了柴油机动力的核心部分。其动力学特性对柴 油机的工作性能有决定性的影响。整个曲轴系统通过轴承连接曲轴和连杆，连杆通过 活塞销连接活塞，柴油机工作时活塞受到气缸内气体燃烧压力的周期作用。而在每个 周期的不同转角轴承的受力又不同，因此，采用传统的方法很难准确地计算出曲轴各 轴颈的载荷以及各个零件和润滑油对轴承润滑的影响，因此我们需要用计算机软件对 主轴承润滑问题进行研究分析。 随着内燃机车向高速重载、大功率方向的发展，我们对柴油机的性能要求越来越 高，对其设计要求也越来越高。轴承是机车柴油机最重要的部件之一，轴承的失效往 往会损害其他运转部件，并产生连锁反应，尤其是曲轴主轴承因设计不当引起运行失 效将会酿成重大事故。长期以来，在柴油机轴承设计中，通常利用动力计算的结果做 出轴承载荷图，从中找出作用于轴承的最大负荷和平均负荷。因此轴承摩擦磨损就成 为我们要解决的首要问题，为此我们需要减少摩擦损失，对此我们需要提高润滑油对 轴承的润滑性能，从而来减少摩擦磨损。虚拟设计方法利用现代计算机仿真技术，使 产品的结构、性能得到模拟，有效缩短产品开发周期并获得优化设计方案，因此我们 在生产之前必须用虚拟样机技术提前对柴油机的轴系性能进行分析。 1.2 虚拟样机技术简介 1.2.1 虚拟样机概念 传统的柴油机工作机构的运动学、动力学分析方法主要有图解法和解析法。但是 过去大部分复杂的机械运动难以计算出能供工程使用的结果，不得不用近似的图解法 求得数据。而随着计算机的发展，我们可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运 动过程。 目前，人们价值观念正在发生结构性的变化，呈现出多样化与个性化的发展。传 统的物理样机在产品的创新开发中，在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来 越不能满足市场需求，虚拟样机技术vp(virtual prototyping)正是在这种需求下产生的。 在传统的产品设计与制造过程中，一般先进行概念设计和方案论证，然后进行产品设 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 2 计、绘制图纸。设计流程如下： 图 1-1 工业生产图 简单地说，虚拟样机技术就是用来代替真实的物理样机(模型)技术。在常规产品 开发过程中，物理样机模型是用来验证设计思想，选择设计产品，测试产品的可制造 性和展示产品虚拟样机要替代物理样机，至少要具备上述功能。这样看来，虚拟样机 可以用来测试产品的外形和行为，也可以用来进行一系列的研究。通过以上分析，虚 拟样机技术就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它能像真实物理模型一样，对 所关心产品的安全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行展示、分析和 测试。实际工程中复杂运动机构的运动学、动力学特性，往往很难通过理论计算的方 法来获得，如果通过实验来完成，将要投入极大的人力和财力，所以借助于功能强大 而可靠的仿真软件系统通过大量的计算可以得到机构中各个运动副实时的运动学及动 力学性能曲线，这种方法掀起机构特性仿真研究的热潮。 虚拟样机技术在国外的应用虚拟样机技术在一些发达国家，如美国、德国、日本 等已得到广泛应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械 电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学及工程咨询等多方面。 所涉及产品从庞大的卡车到照相机的快门，上天的火箭到轮船的锚链。在各领域，针 对各种产品，虚拟样机技术都为用户节约开支、时间并提供满意的设计方案。目前， 虚拟样机技术已在我国得到了应用与推广，主要在汽车、航天航空、武器制造、机械 工程等1。 1.2.2 虚拟样机在柴油机动力学上的应用 对柴油机的核心部件曲轴-连杆-活塞机构进行多体动力学仿真，一方面可获得这 些机构运动学方面的信息，另一方面还可获得这些重要部件在运动过程中的受力情况， 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 3 为设计优化、性能评估等提供新的方法和手段。 对于发动机曲柄连杆机构的设计，一方面希望提高强度储备和安全系数，提高发 动机的可靠性和使用寿命；另一方面希望减轻质量，减小发动机的振动和噪声。这样 复杂的要求给曲柄连杆机构的设计带来困难2。目前，国内对内燃机曲柄连杆机构的 分析，主要集中在曲轴系统对箱体的激励力、振动噪声及轴承润滑等方面的研究，虽 然在计算过程中引入现代算法，但分析时大多采用试验与仿真的比较验证法，因此无 法避免误差。 国际一些研究机构和公司如fev 、avl 、ricardo 及gm 、ford等在开发新 型内燃机方面，计算机虚拟设计应用得比较深入，不仅对内燃机各个工作环节都能进 行仿真计算，从整体上模拟内燃机的工作状况，而且，他们还开发了许多相关的专业 仿真软件3。实验结果表明，其仿真水平较高，对指导内燃机实际设计有不可替代的 作用。但是在我国柴油机工业中，优化柴油机设计开发工作几乎是空白。因此，采用 以计算机建模和计算机仿真分析为核心的现代设计方法对柴油机机体的振动特性进行 研究，就具有重要的实际意义。 虚拟样机技术是机械工程领域内一门新兴技术，它围绕产品的概念设计、定型生 产到整个研发周期，再从设计师、决策层、制造商、销售商到用户群等全方位的观察 和研究产品，虚拟样机技术显示其强大的优势和发展潜力。作为一种先进的设计方法， 虚拟样机技术有助于企业做出前瞻性的决策，实现产品总体优化目标，为企业赢得用 户给市场提供了有利条件。 1.3 本课题研究的内容及目的意义 面向 21 世纪，虚拟样机技术势必会成为将来产品研发的主流。特别是在成本高、 系统复杂、不可能制造多台物理样机的行业前景看好。但从我国目前的情况来看，虚 拟样机技术主要在机车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛，只停留在初步应用 阶段。在其它行业应用较少，主要在专业研究机构和高校研究机构中应用。可见我国 对于虚拟样机技术的应用领域和技术水平还很低，但是却有很大的提升空间。并且对 柴油机动力学的仿真分析还不是很完善，另外我国的内燃机车事业同样还很落后，机 车的速度相对于国外机车的速度慢很多，为此我们对此课题的研究很有必要。 随着铁路的六次大提速，我们对机车的要求也越来越高，本课题用 gt 软件对柴油 机动力系统进行分析。 本课题是基于虚拟样机的柴油机动力学 doe 设计分析。这个课题紧密结合生产实 际，涉及的知识面广，有利于培养我们利用所学的专业知识和计算机知识进行模拟计 算能力。柴油机动力学计算是当今柴油机研究工作的主要方向，建立一个准确的与实 际相吻合的柴油机动力学模型是进行柴油机模拟计算的基础，在此基础上对柴油机工 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 4 作状态进行评估，并进行必要的优化工作。 本课题的模型是 8v240 柴油机。建立模型主要用 gt-crank 软件对 8v240 型机车柴 油机主轴颈轴承及其连接部分，包括缸内压力模块、活塞模块、连杆模块、曲轴模块、 主轴颈模块和活塞模块等设置参数并进行模块连接。 本课题的研究内容如下： 第一章 简单介绍了柴油机动力学的研究，对国内外所采用的方法进行比较，提出 现代分析方法。主要介绍虚拟样机技术的分析方法以及其在各个领域的应 用。 第二章 对柴油机动力机构进行分析研究。通过图形分析，为下文建立模块提供理 论依据. 第三章 简单介绍建立模型的过程和方法，并建立合适的 gt 软件模块。 第四章 对我们所建立的曲柄连杆机构进行后处理分析。 第五章 对全文进行总结。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 5 第二章 曲柄连杆机构组成及其计算分析 2.1 曲柄连杆机构的组成 柴油机中三个依次连结在一起的主要运动件-活塞、连杆和曲轴，以及它们的 支撑-气缸和主轴承，组成一个曲柄连杆机构。其中作往复运动的活塞支撑在机体 的气缸内，作回转运动的曲轴以其主轴颈支撑在机体的主轴承里，而连杆的两端则支 撑在本身也在运动中的活塞和曲柄上。柴油机通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动转 换为曲轴的回转运动使气缸内燃油燃烧所产生的热能转变为曲轴输出的机械功。由此 可见曲柄连杆机构是柴油机的主要传力机构。曲柄连杆机构的支撑反力，则是受力分 析的主要内容。 输出扭矩作为柴油机动力学特性的重要评价指标之一。 2.1.1 曲轴组 曲轴组是由曲轴、传动齿轮、减振器和联轴器等零部件组成。曲轴是柴油机的主 轴，它是柴油机的重要零件之一。柴油机产生的全部机械能都是通过曲轴组向外输出， 其中包括柴油机本身的附属机构（例如配气机构、喷油泵、调速器、机油泵、冷却水 泵等）所消耗的功率。在不断周期变化的燃气压力和运动质量惯性力作用下，曲轴既 要弯曲又要扭转，产生交变的疲劳应力。由于主轴颈的长度不大，所以弯曲应力较小， 因而主要受扭矩作用。曲轴还承受着扭转振动引起的大小不等的扭转应力。 由于曲轴的受力极其复杂，所以对曲轴的设计要求也相对要求严格。其成本和加 工精度也是柴油机中最高的。一般在没有不正常扭转的情况下，设计曲轴应该保证有 足够的疲劳强度。另外由于曲轴轴颈直径的加大会引起摩擦损失增加，并使曲轴和连 杆结构笨重，使机体尺寸增加，故曲轴各轴颈的尺寸还应满足轴承压力和润滑条件的 要求。另外为了降低惯性力引起的弯矩和主轴承附加载荷在对称的多拐曲轴上加平衡 块。因此现代的高速柴油机一般采用锻钢曲轴，一般用优质中碳结构钢等。强化机型 用中碳合金钢，锻造后进行正火处理或调质处理，然后在表面淬火。 2.1.2 连杆组 连杆组是由连杆体、连杆盖、连杆轴瓦、连杆螺栓以及连杆小头衬套等组成。连 杆组连接活塞销和曲轴的曲柄销，使活塞的往复运动通过连杆和曲柄转变为曲轴的回 转运动，将气缸内的气体对活塞所做的功传递给曲轴向外输出。连杆小头随活塞作往 复直线运动。连杆大头随曲柄销作回转运动。连杆杆身上的任何点的运动轨迹都是往 复运动与摆动（绕连杆小头中心摆动）的复合结果。因此连杆在运动时所产生的惯性 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 6 力是很复杂的。连杆承受着燃烧压力的压缩载荷和往复运动产生的拉伸载荷以及摆动 产生的弯曲载荷。 由于柴油机的结构设计要求苛刻，故容易产生应力集中，产生疲劳源，使之疲劳 断裂。因此对连杆的设计要求是（1）足够的疲劳强度，保证寿命；（2）足够而协调 的刚度，保证可靠性和耐久性。 （3）尺寸紧凑、质量轻，保证尽可能的惯性力。因此 连杆主要采用中碳合金钢模锻造，我国机车柴油机主要用 42crmoa。 另外连杆大头的分割形式有两种：平切口和斜切口。如图所示： （a） 平切口 （b） 斜切口 图 2-1 连杆分割形式 2.1.3 活塞组 活塞组是由活塞、活塞销、活塞环等在气缸内一起作往复运动的零件组成。活塞 组的工作情况直接影响着柴油机工作的可靠性与使用耐久性，活塞的主要作用是承受 气缸中气体压力所造成的作用力，并将此力通过活塞传递给连杆，以推动曲轴旋转。 活塞主要在气缸内作上下往复运动。因此受力主要是来自燃烧压力和往复运动质量的 惯性力。另外由于活塞运动速度高以及高温环境下工作会使活塞容易摩擦受损。 由于国内机车牵引工矿和环境条件特别繁重和复杂以及制造工艺原因国内机车都 采用局部铝合金活塞。对材料要求也十分严格如强度要高，重量要轻，耐磨耐腐蚀等。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 7 2.1.4 气缸 燃油的点火、燃烧、做功都是在气缸内完成。用来不断地输出能量，是整个柴油 机体的动力源。气缸与连杆相接，在曲轴带动下，与连杆一起做往复运动，所以会产 生往复惯性力，在机构平衡分析时，要注意考虑汽缸惯性力的影响因素。在汽缸内部， 气体被压缩，燃烧，会产生高温高压，因此，受热严重，而散热条件又很差，容易出 现裂纹，或腐蚀。因此气缸材质要有足够的强度与韧性，耐高温与防腐性，同时综合 选材的经济性考虑是否选取。 2.1.5 轴承 任何有回转运动，或者说任何有轴系介入的机体，几乎都离不开轴承的应用。为 了提高曲轴的弯曲强度和刚度，现代柴油机的曲轴都采用全支承结构，即每一曲拐之 间都有主轴承。单列 6 缸和 v 型 12 缸用 7 道主轴承。内燃机的轴承的载荷是一个周期 变化的动载荷，轴承的表面速度变化较大并且在高温环境下工作变形复杂。所以轴承 容易摩擦变形受损47。 适用于滑动轴承油膜分析的基本方程是雷诺方程： 33 0 62 h hphp u hv h xxyyxy 其方程具体参数含义如下： h为油膜厚度；为润滑油粘度；p为油膜压力；润滑油密度；0为润滑油流入 速度；h为润滑油流出速度；u为两表面沿x方向的相对运动速度；v为两表面沿y方向 的相对运动速度。此方程它可以分解为纯挤压效应形式和纯旋转效应形式。对雷诺方 程用差分法求解，可以求出轴承在各种运动状态下的压力分布和承载力。 2.2 柴油机曲柄连杆机构运动学 机车柴油机的工作机构主要采用中心式曲柄连杆机构，其气缸中心线通过曲轴的 旋转中心，结构简图如图所示： 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 8 图2-2 活塞运动分析 图中：l- 连杆长度，指连杆大小头孔中心的距离； r- 曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离； a- 曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度； - 曲轴旋转角速度； x- 活塞位移，指活塞由上止点开始向下止点运动的距离，上下止点分别活 塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的位置。 活塞在气体爆发压力作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲轴的旋 转运动。在曲柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为曲轴作匀速旋 转运动，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角的函数。 活塞的位移x： coscos1rxl 活塞速度 v： cossin rv 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 9 2.3 柴油机曲柄连杆机构动力学 研究曲柄连杆机构运动时的作用力以及它们在各零件中的传递和输出。柴油机曲 柄连杆机构在工作过程中所受的力，包括活塞顶部的气体压力(作用在活塞顶上，是曲 柄连杆机构运动的原动力，可从柴油机示功图求)、机构所受的惯性力(包括往复运动 质量所产生的往复惯性力以及旋转运动质量所产生的离心惯性力。前沿气缸中心线作 用，其大小和方向以曲轴转一圈为周期循环改变；后者的大小不变，方向沿曲柄向外)、 气缸壁对活塞的法向反力、气缸壁与活塞之间的摩擦力、曲轴轴承座对曲轴的约束反 力及皮带轮上的负荷。由于研究对象是曲柄连杆机构惯性力对机体的作用，故在所建 立的模型中只考虑了机构所受的惯性力。 作用在曲柄销上的力以及离心惯性力，最终传至主轴承经机体传给柴油机基础。 活塞在运动过程中，会产生周期性变化、垂直于气缸壁的侧压力。由于活塞、缸套间 存在间隙，侧压力使活塞对缸壁产生敲击，增加活塞、缸套的磨耗，并使柴油机产生 侧向倾倒的趋势。图 2-3 是曲柄连杆机构的受力分析图： 图2-3 曲柄连杆机构受力分析 气体力向下经活塞、连杆、曲轴传至机体的同时，也向上作用在缸盖上，再传给 机体。这两种力在机体内相互抵消。因此经机体传给基础的只有惯性力，以及侧压力 对曲轴旋转中心形成的倾倒力矩（柴油机输出力矩的支承反力矩）图1所示为曲柄连杆 机构对内燃机机体的作用，fn为活塞对机体(气缸壁)的侧推力，曲轴对机体的作用力 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 10 可分解为沿y方向的作用力fy，和沿z方向的作用力fx：。其中，侧推力fn 可认为垂直 于气缸中心线并通过活塞销中心，并可用一个通过o点的与之等效的平行力f和力矩m来 代替它。 所以，单个曲柄连杆机构对机体的作用结果，是使机体受到一个沿着气缸中心线 方向的力fz，它引起机体的纵向振动，称之为纵向干扰力；另一个垂直于气缸中心线 的力fy8。通过上述力的共同影响使曲柄连杆机构受力平衡。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 11 第三章 建立 8v240 虚拟样机模块 3.1gt 软件简介 gt 软件是美国 gamma technologies 公司经过多年开发研制的，主要研究发动机、 驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六方面的内容，是汽车厂、 机车厂、发动机制造行业简洁方便的 cae 工具。现在我们将试用 gt-suite6.1.0 版 本。 它具有以下特点： 1）高度集成的发动机+动力系统+车辆仿真环境，所有模块共享同一接口。 2）操作简单，接口友好易用，多层级模型管理，实机装配式建模概念。 3）针对同一物理现象，gt-suite 通常提供了不同层次的物理模型，用户可以根 据需要构建不同复杂程度的模型。 4）内置丰富的控制功能，进行发动机和整车的控制仿真。 5）方便的用户模型接口和用户自定义模板库。 6）使用面向对象的软件设计方法减少用户工作量，具有不同结构参数的同一物理 7）成熟的软件工程 3.1.1 关于发动机软件 gt-crank 的介绍 gt-crank 作为 gt 软件的一大部分，它模拟的是发动机曲柄连杆机构。gt- crank 是目前世界上比较先进，走在前列的柴油机模拟软件，对柴油机机构各方面的 计算和分析都十分到位，是柴油机机构设计计算得力的工具之一。 3.1.2gt-crank 软件模板库简介 gt-crank 软件下有 7 个模版库，它们是 flow（流体元件），mechanical（零件 元件），thermal，（热量元件）electrical（电力元件），control（控制元件）， analysis（分析模块），general（常规模块），其中最主要也是最常用的是 mechanical（零件元件）模版库，其它的都是辅助模块。 3.1.3gt-crank 软件的使用 gt-crank 模块可以建立简单的柴油机主轴颈轴承机构，设置变量和规定系统。如 果这个建立的机构程序是正确的话，就可以计算出的活塞的位移、速度、加速度，活 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 12 塞、连杆和曲轴所受的力，以及轴承轴颈所承受的载荷等等。 根据我们的要求，我们可以绘出这些计算结果与初始变量的关系图，从而更加简 单方便地理解曲柄连杆各个量之间的关系，优化我们的数据，使曲柄连杆机构的性能 更加符合我们的要求，使数据更加合理，从而达到我们设计计算的目的。 图 3-1 轴系空间坐标示意图 gt-crank 软件使目前世界上在柴油机动力学方面走在前列的软件，它被很多研究 机构或柴油机生产设计或使用单位所使用，它的简单方便为很多人所接受，具有巨大 的使用价值。 3.2 建立 8v240 柴油机模块 启动 gt-suite 软件，在新建中选择 gt-crank 部分： 图 3-2 启动 gt-crank 点击 tile with template library 引入模版库。点击 mechanical，在这个模版下 选择我们做需要的模块。如气缸、活塞、连杆、曲轴，主轴径等。而有些必须的引用 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 13 参数，则需从其他模板中选择，并引入到我们所需要的模板中。 图 3-3 模块的引入 3.3 虚拟样机各模块参数的输入 3.3.1 气缸模块 气缸模块是用来定义以不断变化的形势作用在每一个活塞上的气体压力。使用者 可以选择一个单独的活塞压力来应用于所有的活塞或单独一个的活塞。当用户在设计 单独的活塞压力时，程序自动改变压力来满足点火角的要求。 图 3-4 气缸模块的参数输入 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 14 气缸内气体的燃烧所产生的对气缸的爆发压力是柴油机的动力来源，是柴油机正 常工作的根本。图 3-4 是缸内压力图： 图 3-5 气缸内气体压力图 3.3.2 活塞模型 这个模块是用来设计发动机活塞的惯量和其他特征。需要输入气缸内径，活塞质 量和活塞销偏移量。 图 3-6 活塞模块参数的输入 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 15 3.3.3 连杆模型 这个模块是用来设计连杆的特征。为了计算，往复质量和旋转质量被分到活塞和 曲轴，我们把连杆质量分为往复质量和旋转质量。 图 3-7 连杆模块参数的输入 3.3.4 曲轴模块 1)中间曲拐 这个模块是用在曲轴系统计算和计算机平衡和振动计算。中间曲拐是用来模拟曲 拐的运动，力和力矩。曲拐由 4 部分组成，主轴，曲柄销和两个曲拐臂。通过连杆作 用在曲柄销上的力，来带动曲轴旋转。因此，中间曲轴和两个曲拐臂的相接处往往是 受力或受转矩最大之处，也是疲劳最有可能发生的危险之处。为此，我们需要注意该 处的强度是否足够。还有一种形式就是两个活塞连杆系统连接到一个曲拐上，这时候， 我们就要把两个曲拐合在一起形成一个曲拐。 2)末端曲拐 和中间曲拐类似，末端曲拐也用在曲轴系统计算和计算机平衡和振动计算。末端 曲拐是用来模拟曲拐的运动、力和力矩。不同的是它由 5 部分组成，主轴，两个曲柄 臂，曲柄销，末端轴。当两个活塞连杆系统连接到一个曲拐上时，它和一个左端曲拐 形成一个新的末端曲拐。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 16 图 3-8 曲轴参数的输入 3.3.5 轴承模块 这是整个模型中，很重要的一个模块，是我们整个设计中所要着重分析的对象， 包括最小油膜厚度，轴承受力状况等动力学分析。为此，我们需要定义包括油温，轴 承内径，油膜间隙，摩擦系数等参数。 图 3-9 轴承模块参数的输入 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 17 3.3.6 曲轴箱模块 在这个模块中我们需要定义气缸布置，我们研究的发动机是四冲程柴油机，活塞 分两侧 v 型布置，v 型夹角是 50，由于采用了两连杆共用一个曲柄销的方式，所以 该发动机有 5 个主轴颈轴承，柴油机转速 1000 r /min，空负荷。此刻需要注意是左曲 轴还是右曲轴，还有转动惯量，飞轮质量等。 图 3-10 8v240 柴油机气缸布置图 但在软件中气缸的布置与图 3-10 有所不同，在选择发火顺序时，我们所选择的是 连续发火，因为软件默认飞轮顺时针旋转，所以根据飞轮的实际转向，我们布置发火 顺序为： 图 3-11 发火顺序 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 18 图 3-12 曲轴侧图 图 3-13 曲轴箱模块参数的输入 3.4 模型的连接 在完成模块的建立及定义后，我们就可以将这些模块合理地连接起来了。我们研 究的是 8v240 柴油机，故需要复制出 8 个汽缸模型，8 个连杆模型，8 个活塞模型，再 把他们在面板上排列起来。连接时要注意模块的连接顺序，要符合柴油机动力部件的 动力输出的顺序连接。同时不要忘记定义接点。当接点与实际不符时应改正。具体顺 序为；气缸放在顶端，作为整个机体的动力源。直接连接气缸的是连杆，作为动力的 传递部件，再与连杆连接的是曲轴，用它来带动机车主轴径，再把对应的连杆和曲拐 连接起来，连杆大头连接曲柄销。把机体放在曲轴下边，把所用左曲柄都连接到机体 上，曲拐的后轴承端和机体的轴承端相连，而末端曲拐的前端轴承与机体相连。最后 就可以加上轴承系统了，主轴承放在每个曲拐及末端曲拐与机体的连接点上。这样我 们的模块就连接起来了。系统布件图如下所示。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 19 图 3-14 模块的连接 3.5 参变量的输入 在各模块参数输入好之后，就要进入我们的计算环节了，我们选择我们所要计算 画出的图形，如果选择 all 的话，就使全部图形都画出来。点击 open run setup，我 们先命名计算的名称，命名变量 case 的名称，设置循环次数和最大时间间隔。再点 击 open out setup，设置命令更新时间间隔。最后再设置两个例子的变量，如果我们要 计算这个例子，我们就把它选上。我们还需要在 open case setup 中设置参变量数值。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 20 图 3-15 参变量的输入 3.6doe 参数的输入 为了清楚各种不同结构参数对轴承润滑的影响，进行了以下的计算：设定主轴颈 轴承的参数变量包括轴承间隙、轴承进油温度。轴承间隙设定为三种情况分别为 0.20mm、0.225mm、0.25mm 三个值，轴承润滑油的温度同样也设定三种情况分别为 60、70、80三个值。由于我们要研究的是轴承间隙、润滑油温度和油膜厚度对 主轴颈轴承润滑的影响，所以在进行 doe 分析设置时应该把这九个条件的参变量输入 doe 分析中。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 21 图 3-16 doe 参数的输入 3.7 软件运算 当各个参数输入完毕后点击运算，如果所有设置无错误，就能顺利进行运算了。 图 3-17 软件运算 此运算大约运行两个小时。当运算结束时我们就可以通过后处理进行分析了。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 22 3.8 模型的后处理工作 在计算结束后，我们就可以对所计算的结果进行后处理。具体操作如下，选择任 务栏中的“open gt-post” ，然后选择所要处理的文件，系统会默认当前窗口为所要 处理的对象，如果要对非当前文件进行处理，就用鼠标改选其他文件，或将其换为当 前窗口。进入到要处理的文件后可以看到很多输出列表，如果想要查看某个部件的特 性曲线，则在“gt-post”中，选择对应部件，然后右击鼠标，按 f4 进行查看即可9。 图 3-18 连杆的运动受力分析 通过上述操作我们就可以清晰直观的查看各个分析图。 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 23 第四章 计算结果及分析 4.1 轴承间隙对主轴颈轴承影响 由于从活塞、连杆及曲轴传来的气体压力和惯性力在不断变化，因此作用在主轴 承上的载荷是一交变载荷。其润滑问题为一动载非稳定径向轴承问题。这种轴承在运 转过程中，其轴颈中心不是固定不变的，而是随时间变化作周期性运动，其轨迹为一 封闭曲线，称为轴心轨迹。 主轴承受力状况不一样，相应的轴心轨迹和油膜厚度变化也不一样。我们先以我 们所设定的轴承间隙为参变量（轴承间隙分别为 0.2mm，0.225mm，0.25mm）对第一主 轴颈轴承的轴心轨迹和最小油膜厚度随轴承间隙的变化规律曲线为例。 图 4-1 不同轴承间隙对轴心轨迹的影响 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 24 图 4-2 轴承间隙对最小油膜厚度的影响 由图可知，从轴心轨迹图可以看出，在配合间隙范围内，随着相对间隙的增大， 轴心轨迹愈加饱满，偏心率随之增大，它们反映了轴承间隙对轴心轨迹的影响。尽管 影响不是很大，但对于油膜厚度来说，很小的变化有时意味着润滑性能非常明显的改 变。在其它条件确定时，增大轴承间隙，由于通过轴承的润滑油流量增大，因而它带 走的热量增多，使轴承工作温度降低，润滑油粘度增大，最小油膜厚度增大。但当间 隙达到某一数值后，再继续增大间隙时，由于通过间隙泄露的润滑油流量也大大增加， 使最小油膜厚度反而下降。此外，轴承间隙大，相应的冲击大，机件容易损伤，甚至 无法正常工作。相对间隙大小的确定不仅和内燃机工作状况相关，也和加工精度密切 相关，还和装配精度有关。由此可见，对每个轴承都应有一个对应最小油膜厚度能达 到最大的最佳轴承相对间隙。对于轴承的最小油膜厚度，主要是从轴颈和轴承的加工 精度以及其表面粗糙度以及轴承材料的疲劳强度来分析。如果轴承在工作时所建立的 最小油膜厚度大于轴颈表面和轴承表面粗糙度之和，一般则可以断定轴承能长期可靠 工作。最小油膜厚度减小会导致轴承和轴颈在柴油机运转阶段不断发生直接接触，加 剧轴承磨损。 综上，得出如下结论： l)在配合间隙范围内，随着相对间隙的增大，油膜压力增大，最小油膜厚度增大， 平均摩擦功耗减小，而峰值摩擦功耗增大。允许范围内应尽量增加轴承相对间 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 25 隙。 2)相对间隙过小时，润滑油流量不足，油膜散热性能不佳；相对间隙过大时，润 滑油流量大大增加，同时轴瓦径向冲击变大，不易建立良好的润滑油膜。 3)相对间隙不宜过小或过大，设计合理的相对间隙，对于轴承润滑性能的提高具 有重要意义。 4.2 润滑油温度对主轴颈轴承动力学性能的影响 众所周知，内燃机轴承处在高温环境下工作，加之轴承内部的摩擦热，导致轴承 表面工作温度较高，较高的温度会使润滑油的粘度降低，而润滑油的粘度又对轴承的 承载能力有极大的影响。粘度小，油膜承载力小，易导致轴承损坏；粘度太大，内燃 机起动困难，润滑油油流动慢，不能及时流到各润滑部位，同样也会导致轴承损坏， 而且粘度大，摩阻大、功耗大。 因而润滑油温度对轴承的润滑也同样起着决定性的作用，下面我们以润滑油温度 为参变量（其值分别为60、70、80），不同的温度下轴心轨迹如图4-3： 图 4-3 润滑油温度对轴心轨迹的影响 大连交通大学 2008 届本科毕业设计（论文） 26 图 4-4 润滑油温度对油膜厚度的影响 图 4-3 和图 4-4 为第一主轴颈轴承的轴心轨迹和最小油膜厚度随润滑油温度的变 化规律曲线。从曲线可以看出随着润滑油温度的降低，最小油膜厚度增大，这有利于 轴承的润滑性能的改善。 因此润滑温度对轴承润滑具有十分重要的意义： 1)润滑油对轴承润滑性能的影响特别显著。 2)润滑油牌号对润滑油粘度等参数影响关系明显，随着温度的升高，润滑油粘度 下降。低温性能越好的润滑油，相同条件下的润滑油粘度越低。高温性能越好的润滑 油，相同条件下的润滑油粘度越高。 3)发动机起动时，因低温导致润滑油粘度大、流动阻力大，摩擦副会加速磨损， 此时，发动机不宜高速运转。当高负荷运转时，随着热负荷的增大，润滑油温度升高， 润滑油粘度降低，油膜厚度减小，润滑性能逐渐