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文档简介

摘要 内燃机曲轴轴承系统是内燃机的关键部件,其摩擦学、动力学性能分析和强度刚度计算是内 燃机设计必须面临的问题,直接影响到内燃机工作的可靠性和耐久性。然而,长期以来,由于曲 轴轴承系统特殊的结构形式和复杂的受力状况,理论研究难度较大,其摩擦学性能、动力学行为 的分析和强度刚度计算是在各自独立的领域里分别进行的。实际上,内燃机在运转时,各种机械 行为是同时发生互相影响的。因此,进行曲轴轴承系统摩擦学、动力学、刚度和强度耦合研究、 提高曲轴一轴承系统理论分析的准确性,具有重要的理论意义和现实的应用价值。本研究课题来源 于国家自然科学基金研究项目“内燃机曲轴一轴承系统摩擦学、动力学和强度刚度耦合研究 ( 5 0 1 7 5 0 2 3 ) 。前期工作中,孙军( 博士论文内燃机曲轴一轴承系统摩擦学、刚度和强度耦合研 究) 进行了内燃机曲轴一轴承系统摩擦学、刚度和强度之间的耦合分析,李震( 博士论文内燃 杌曲轴一轴承系统摩擦学动力学耦合研究) 进行了内燃机曲轴一轴承系统摩擦学动力学之间的耦 合分析,在他们研究工作的基础上,本文的主要任务是进行内燃机曲轴一轴承系统摩擦学、动力 学和强度刚度三种机械行为及性能的耦合分析。 首先,本文在分析现有内燃机轴承润滑分析、曲轴动力学分析、曲轴强度计算以及它们之间 耦合分析研究现状的基础上,探讨了曲轴轴承系统摩擦学、动力学、刚度和强度耦合分析的必要 性。分析了曲轴一轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦台问题的特点,根据它们之间耦合强弱,提 出了先解决曲轴一轴承系统动力学、摩擦学和刚度耦合问题,再解决曲轴疲劳强度计算问题的解耦 方法。针对耦合分析计算过程复杂,计算工作量浩大,根据现有条件采用专业软件和自编程序相 结合的方法进行耦合分析以减少编程工作量。认识到内燃机曲轴轴承系统动力学、摩擦学、刚度 和强度耦合问题的复杂性和普遍性,本文首先分析一般的直轴一轴承系统动力学、摩擦学、刚度和 强度耦合问题,以探索解耦方法。 其次,采用有限差分法对滑动轴承进行润滑分析,在此基础上利用a d a m s 动力学仿真软件, 研究弹性轴一轴承系统在变载荷作用下动力学和摩擦学行为:采用扫频法计算了弹性轴轴承系统 的幅频特性,硬究了轴轴承系统一、二阶共振响应和在冲击载荷作用下的响应,详细分析比较了 计入轴倾斜对弹性轴一轴承系统动力学摩擦学行为的影响。得到的主要结论是:考虑轴倾斜时轴一 轴承系统一阶固有频率略有下降,二阶固有频率略有上升;共振时振动幅度增大,轴承最小油膜 厚度减小,最大油膜压力升高。 第三,建立了轴颈表面动应力计算有限元模型,采用a n s y s 中的参数化编程语言a p d l , 开发专用计算程序,自动实现动态施加边界条件、求解并记录指定节点上的应力。计算结果表明 动应力在轴颈表面沿轴向和周向分布与油膜压力沿轴向和周向分布密切相关;动应力随时间的变 化与轴一轴承系统的动力学响应密切相关。轴受载变形倾斜使得轴一轴承系统的动力学响应、润滑 性能以及轴颈表面动应力发生较大改变。 第四,以n 4 8 5 柴油机曲轴轴承系统为研究对象,建立了弹性曲轴轴承系统的动力学、摩 擦学和刚度耦合分析a d a m s 仿真模型;进行了n 4 8 5 柴油机曲轴一轴承系统在额定工况下主轴承 摩擦学和曲轴动力学的耦合分析;着重分析讨论了曲轴主轴颈倾斜、轴承摩擦学和曲轴动力学行 为之间相互影响。计算结果表明,曲轴受载变形倾斜对主轴承摩擦学行为影响十分显著,最大油 膜压力升高,最大升高4 3 7 6 ;最小油膜厚度降低,最大下降9 2 1 4 。对曲轴动力学行为也有一 定影响。 第五,根据主轴颈的轴心运动参数和作用于曲柄销载荷,通过润滑分析计算出曲轴轴承的动 态油膜压力并转换为动态节点力。在a n s y s 工作环境下,利用a p d l 参数化编程语言,编写专 用计算程序,动态施加载荷边界条件后进行有限元分析求解,并记录曲轴颈表面指定节点上的应 力。研究了计入和不计入主轴颈倾斜时曲轴动应力在轴颈表面分布和随时间的变化规律,找到了 危险截面和危险点的位置,得到了危险点的动应力随时间的变化规律,最后利用损伤积累理论进 行了曲轴疲劳强度计算。计算结果表明:计入主轴颈倾斜时曲轴动应力在轴颈表面分布和随时间 的变化都会发生很大改变。危险点的应力随时间的变化曲线也发生改变,最大应力升高了1 9 5 1 , 安全系数曲线下降了2 3 ,2 4 。 第六,利用有限元分析软件a n s y s 求出轴瓦表面变形矩阵后,进行了计入轴瓦变形的滑动 轴承润滑分析,研究了额定工况下计八轴瓦变形的曲轴轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合问 题。得到的主要结论是:计入轴瓦变形,曲轴一轴承系统动力学径向振动响应幅度增加;主轴承最 小油膜厚度大幅度下降,最大相对下降量达6 7 9 ,最大油膜压力有升有降;危险点的等效应力 变化曲线发生变化,最大应力上升了1 7 9 ,对应的曲轴安全系数下降了1 5 6 。 最后,总结了本文所作的主要工作及主要刨新点,对今后的进一步研究提出了作者的一些看 法。 关键词:曲轴轴承系统耦合分析动态油膜压力摩擦学动力学 i i a b s t r a c t c r a u k s h a f tb e a r i n gs y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si ni n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s ( i c e ) t h ea n a l y s i so nd y n a m i c s ,t r i b o l o g n ,s t i f f n e s sa n ds t r e n g t hf o r t h ec r a n k s h a f tb e a r i n g s y s t e mh a st ob ed o n ew h e ne n g i n e e r sd e s i g na ni ce n g i n e i ti sd i r e c t l ya f f e c t e do nr e l i a b i l i t ya n d d u r a b i l i t yo ft h ee n g i n e t h em u l t i d i s c i p l i n a r yp e r f o r m a n c es u c ha sd y n a m i c st r i b o l o g ys t i f f i a e s sa n d s t r e n g t hh a v eb e e nr e s e a r c h e di n d e p e n d e n t l yi nt h ee x t e n to fr e s p e c t i v ed i s c i p l i n ef o ral o n gp e f i e do f t i m eb e c a u s ec r a n k s h a f th a sac o m p l e xg e o m e t r i cs t m c m ma n dt h ec r a n k s h a f tb e a r i n gs y s t e mi sa p p l i e d b y ac o m p l i c a t e dv a r i a b l el o a d t h e m u l t i d i s c i p l i n a r yp e r f o r m a n c e s o ft h e s y s t e mh a p p e n s i m u l t a n e o u s l ya n da f f e c te a c ho t h e ra se n g i n ew o r k s t h ec o u p l i n g s t u d yo nd y ,n a m i c st r i b o l o g y s t i f f n e s sa n ds t r e n g t hi sv e r yi m p o r t a n tb o t hi nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c es e n s e a tt h eb e g i n n i n go ft h i sd i s s e r t a t i o n ,t h ep r e s e n ts t a t u so fd y n a m i c a lc a l c u l a t i o no fc r a n k s h a f t , t r i b o l o g i c a la n a l y s i so fi c ej o u r n a lb e a r i n g f a t i g u es t r e n g t hc a l c u l a t i o na n dt h e i rc o u p l i n gr e s e a r c h a r e r e v i e w e d t h en e c e s s i t yt od os o m ec o u p l i n ga n a l y s i si sp r e s e n t e di nm e c h a n i c a le n g l 。n e e f i n g t h e d e e o u p l i n gm e t h o di so b t a i n e da c c o r d i n gt ot h e i rc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c s t r o n gc o u p l i n gr e l a t i o ne x i s t s a m o n gd y n a m i c st r i b o l o g ya n ds t i f f n e s sf o rt h es y s t e ma n dw e a kc o u p l i n ga p p e a r sb e t w e e ns t r e n g t ha n d t h eo t h e rt h r e e s p e c i a ls o f t w a r ea d a m sa n da n s y s ,c o m b i n e dw i t hs e l f - d e s i g n e dp r o g r a m ,a r e a p p l i e dt os o l v et h ec o u p l i n gp r o b l e mf o rt h ec a l c u l a t i n gw o r ki sh u g ea n dc o m p l i c a t e d ac o m m o n s h a f t - b e a r i n gi sf i r s tr e s e a r c h e dt ov a l i d a t et h ed e c o u p l i n gm e t h o d b a s e do nl u b r i c a t i o na n a l y s i so fb e a r i n g , d y n a m i c a lb e h a v i o r so faf l e x i b l es h a f t - b e a r i n gs y s t e m a r es i m u l a t e do nv a r i a b l el o a db ya d a m s ,s p e c i a ls o f t w a r ef o rd y n a m i cs i m u l a t i o n s w e e pf e q u e n c y m e t h o di sa p p l i e dt oo b t a i nt h ed i a g r a mb e t w e e nv i b r a t i n gf r e q u e n c ya n da m p l i t u d e d y n a m i c a l r e s p o n s e si nr e s o n a n tv i b r a t i o ni n s i n el o a da n do np u l s el o a da r er e s e a r c h e d s o m ec h a n g eo n t r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro f b e a r i n ga n dd y n a m i c a lb e h a v i o rh a p p e na s j o u r n a lm i s a l i g n m e n ti sc o n s i d e r e d af i n i t ee l e m e n tm o d e li ss e tu pt oc a l c u l a t et h ed y n a m i cs t r e s so nt h ej o u r n a ls u r f a c e c a l c u l a t i n g p r o g r a mi sd e v e l o p e db yt h ea n s y sp a r a m e t e rp r o g r a ml a n g u a g e ( a p d l ) t op u to nt h eb o u n d a r y c o n d i t i o nd y n a m i c a l l y , s o l v ea n dr e c o r dt h es t r e s so nt h ed e s i g n a t e dn o d e sa u t o m a t i c a l l y 1 1 l e c a l c u l a t i n gr e s u l th a ss h o w nt h a tt h es t r e s sa l o n ga x i a la n dc i r c u m f e r e n t i a ld i s t r i b u t i o no nj o u r n a l s u r f a c ei sd e p e n d e n to nt h ec o r r e s p o n d i n gd i s t r i b u t i o no no i lf i l mp r e s s u r ea n dv a r i a t i o nw i t ht i m ei s d e c i d e db yt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h es h a f t - b e a r i n gs y s t e m g r e a tc h a n g et a k e sp l a c et ot h e t r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro ft h eb e a r i n g , d y n a m i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es h a f t - b e a r i n gs y s t e ma n dd y n a m i c s t r e s so n j o u m a ls u r f a c ea s j o u r n a lm i s a l i g n m e n ti sc o n s i d e r e d t h ec r a n k s h a f tb e a t i n gs y s t e mo fn 4 8 5d i e s e le n g i n ei ss e l e c t e dt oi n v e s t i g a t et h ec o u p l i n go f d y n a m i c st r i b o l o g ya n ds t i f f n e s s 1 1 1 ec o u p l i n gs i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec r a n k s h a f tb e a r i n gs y s t e mi s b u i l tj na d a m sw i t haf l e x i b l ec r a b k s h a l t t h ed y n a m i cc a l c u l a t i o ni sd o n ei nr a t e dw o r k i n g1 0 a d h o wt h em a i nj o u r n a lm i s a l i g n m e n ta f f e c t st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc r a n k s h a f ta n dt h et r i b o l o g i c a l b e h a v i o ri sr e v e a l e d t h em i n i m u mt h i c k n e s so fo i lf i l mo fb e a d n gd e c r e a s e s9 2 1 4 ,t h em a x i m u m p r e s s u r eo fo i if i l mi n c r e a s e s4 3 7 6 r e s p e c t i v e l ya n dt h ed y n a m i c a lr e s p o n s e so ft h es y s t e mv a r ya s t h ej o u m a lm i s a l i g n m e n ti sc o n s i d e r e d t h ed y n a n f i cp r e s s u r e so fo i lf i l mi nt h eb e a r i n g s ,w h i c hc a nb ec a l c u l a t e db yt h ed y n a m i c a l p a r a m e t e ro f j o u r n a lc e n t e ro rb yt h ea p p l i e dl o a do nb e a r i n g s ,a r ec o n v e r t e dt ot h ed y n a m i cn o d ef o m e s i i i t h ed y n a m i cs t r e s s e so nt h es u r f a c eo f c r a n k s h a f ti o u m a la r es o l v e di na n s y si nt h ep r e v i o u sm e t h o d t h ed a n g e r o u ss e c t i o na n dp o i n to fc r a n k s h a f ta r es o u g h tt h r o u g l lc o m p a r i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no n c r a n k s h a i t j o u r n a l sa n ds t r e s sv a r i a t i o nw i t ht i m e t h es t r e s so nd a n g e r o u sp o i n ti sn o n - r e v e r s i n ga n d n o n - r e p e a t i n g , f a t i g u ed a m a g ew i l lh a p p e n t h ec u m u l a t i v ed a m a g et h e o r y , m i n e r sr u l e , i su s e dt o p r e d i c tt h e 舶j t el i f eo f c r a n k s h a f t t h es t l e s so nd a n g e r o u sp o i n ta l t e r sg r e a t l y j o u r n a lm i s a l i g n m e n t i st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h em a x i m u ms t r e s sr e l a t i v e l yi n c r e a s e s 1 9 5 l t h es a f e t yc o e f f i c i e n t d e c r e a s e s2 3 2 4 r e l a t i v e l y t h es o f t w a r ea n s y si sa p p l i e dt oo b t a i nt h ef l e x i b l em a t r i xo f b e a r i n gb u s h w h i c hi st h ek e y s t e p f o rt h el u b r i c a t i o na n a l y s i so ft h ec r a n k s h a f tb e a r i n g sw i t he l a s t i cb e a r i n gb u s h t h em u l f i d i s c i p l i n a r y c o u p l i n ga n a l y s i si sd o n ef o rt h ec r a n k s h a f t - b e a r i n gs y s t e mw i t l le l a s t i cb e a r i n gb u s h t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ea m p l i t u d e so f t h er a d i a lv i b r a t i o nr e s p o n s ei n c r e a s ef o rt h em a i nb e a r i n g j o u r n a l so f c r a n k s h a f t , t h em i n i m u mo i lf i l mt h i c k n e s sd e c r e a s e6 7 9 i nt h es e c o n db e a r i n ga n dt h em a x i m u mo i lf i l m p r e s s u r er i s eo rd e s c e n df o rt h ed i f f e r e n tb e a r i n g sa st h ed e f o r m a t i o no ft h ee l a s t i cb e a r i n gb u s hi s c o n s i d e r e d t h ec u r v eo fe q u i v a l e n ts t r e s si nt h ed a n g e r o u sp o i n tc h a n g e si nt h ew o r k i n gc y c l eo ft h e i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e t h em a x i m u ms t r e s sa s c e n d s1 7 9 a n dt h es a f e t yc o e f f i c i e n td e s c e n d s 】5 6 k e yw o r d s :c r a n k s h a f tb e a r i n gs y s t e m ,c o u p l i n ga n a l y s i s ,d y n a m i cp r e s s u r eo fo i lh i m , s i m u l m i o n ,t r i b o l o g y , d y n a m i c s i v 插图清单 图1 - 1 最大油膜压力沿轴颈轴线方向的分布示意图8 图1 - 2 左截面处轴颈圆周上的节点应力8 图1 - 3 轴一轴承系统各学科间的耦合关系9 图2 - l 轴颈倾斜的轴承示意图1 3 图2 - 2 轴承展开图1 5 图2 - 3 区域网格划分,1 5 图2 4 柔性体的坐标系和坐标描述。1 8 图2 5 多柔体系统动力学方程的求解过程2 3 图2 - 6 轴- 轴承系统计算模型2 4 图2 7 计算流程图。2 5 图2 - 8 轴一轴承系统幅频特性2 6 图2 - 9 不考虑和考虑轴颈转速与系统一阶固有频率的关系及两者之间的差异2 6 图2 - 1 0 轴一轴承系统共振时轴心轨迹2 7 图2 一u 轴承的最小油膜厚度2 7 图2 - 1 2 共振时轴颈倾角变化规律2 8 图2 - 1 3 共振时最大油膜压力变化规律2 8 图2 1 4 共振时轴承反力( 考虑轴倾斜) 。2 8 图2 1 5 共振时轴承反力( 不考虑轴倾斜) 2 9 图3 - 1 计算流程图3 l 图3 - 2 冲击载荷作用时轴颈轴心轨迹3 1 图3 - 3 冲击载荷作用时最大油膜压力随时间的变化曲线 图3 - 4 冲击载荷作用时轴承反力和反力矩 图3 - 5 冲击载荷作用时轴颈倾斜角随时间的变化曲线 图3 - 6 动应力计算流程图 图3 - 7 有限元模型 图3 - 8 某时刻轴颈表面节点力 图3 - 9 二阶共振时的轴颈表面动应力( 轴向) 图3 1 0 二阶共振时轴颈表面动应力( 周向) 图3 - 1 1 二阶共振时第一主应力随时间的变化曲线( 比较) 图3 1 2 二阶共振时等效应力oo 随时闻的变化曲线( 比较) 图3 1 3 二阶共振时轴颈表面动应力轴向分布( 比较) 3 2 3 3 3 4 3 4 3 5 3 6 3 6 3 6 3 7 图3 一1 4 二阶共振时轴颈表面动应力周向分布( 比较) 3 7 图3 1 5 计入轴倾斜时冲击载荷作用下轴颈表面动应力( 轴向) 图3 1 6 计入轴倾斜时冲击载荷作用下轴颈表面动应力( 周向) 图3 1 7 冲击载荷作用下轴颈表面动应力( n = 5 0 0 0 r m i n ,c - - o 0 7 5 r a m ) 。 图3 1 8 冲击载荷作用下轴颈表面动应力( n = 5 0 0 0 r m i n ,c = 0 2 m m ) 一 图4 1 图4 2 n 4 8 5 柴油机在额定工况下的示功图与频谱分析 曲轴系统曲柄连杆机构简图 图4 - 3n 4 8 5 柴油机曲柄销载苟一 图4 4 图4 - 5 n 4 8 5 柴油机曲轴梁单元有限元模型 n 4 8 5 柴油机曲轴的振型 图4 - 6 内燃机主传动系统a d a m s 多刚体动力学模型 v 1 i i 。,3 8 3 8 3 9 3 9 4 4 4 5 4 6 4 7 4 9 5 0 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 - 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 - 2 0 图4 - 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图5 - 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图6 1 图6 2 图6 3 图6 - 4 图6 5 图6 6 曲轴- 轴承系统a d a m s 多柔体动力学模型5 l n 4 8 5 柴油机曲轴主轴承油膜反力( 不考虑曲轴倾斜) 5 2 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴承油膜反力和反力矩( 考虑曲轴倾斜) 5 3 考虑曲轴倾斜曲轴倾斜角的动态变化规律5 6 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴承中截面轴心轨迹( 比较) n 4 6 5 柴油机曲轴主轴承轴一t b 轨迹( 考虑轴倾斜) 5 9 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴承最小油膜厚度6 0 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴承最大油膜压力 n 4 8 5 柴油机曲轴扭转振动时间响应一6 3 n 4 8 5 柴油机曲轴扭转振动频率响应“ n 4 8 5 柴油机曲轴轴向振动 n 4 8 5 柴油机曲轴轴向振动频率响应一6 4 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴颈中,t b 径向振动6 5 n 4 8 5 柴油机曲轴曲柄销中,t b 径向振动响应6 5 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴颈中心径向振动频率响应 n 4 8 5 柴油机曲轴曲柄销中- t b 径向振动频率响应 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴颈中,t b 的三维振动轨迹及投黟 n 4 8 5 柴油机曲轴主轴颈中,t b 的三维振动轨迹( 比较) 最大动态油膜压力发生时主轴承油膜压力分布图 6 6 6 6 6 9 7 2 7 7 轴颈倾斜角最大时主轴承油膜压力分布图7 7 连杆轴承动态油膜压力求解的流程图 第一连杆轴承动态油膜压力分布图 n 4 8 5 柴油机曲轴有限元计算模型 第一主轴承某时刻等效节点力分布图 n 4 8 5 柴油机曲轴动应力位置示意图 连杆轴颈表面动应力oe 3 周向分布图( 不计入轴倾斜) 8 5 连杆轴颈表面动应力o 轴向分布图( 不计入轴倾斜) 8 6 主轴颈表面动应力oe 3 周向分布图( 不计入轴倾斜) 主轴颈表面动应力轴向分布图( 不计入轴倾斜) 8 9 9 0 第3 主应力轴向分布以及随时问的变化规镶9 1 第2 连杆轴颈动应力的变化曲线9 1 第2 连杆轴颈动应力周向分布 第2 连杆轴颈动应力轴向分布 e :! e :; 第2 主轴颈动应力的变化曲线9 4 第2 主轴颈动应力周向分布 第2 主轴颈动应力轴向分布。9 5 n 4 8 5 柴油机曲轴危险点动应力变化曲线9 6 n 4 8 5 柴油机曲轴安全系数与疲劳寿命曲线 主轴承座有限元模型 变形矩阵之_ 1 0 1 计入轴瓦变形的滑动轴承润滑计算流程图1 0 2 主轴承轴颈中心轴心轨迹 主轴承轴颈中心径向振魂 主轴承反力( 合力) 随时间的变化曲线 1 0 3 。1 0 4 。,1 0 4 趴跎 图6 7 主轴承最小油膜厚度随时间的变化曲线 图6 - 8主轴承最大油膜压力随时间的变化曲线 图6 - 9 第4 主轴承某时刻最大油膜压力分布图 图6 - 1 0 危险点应力a 。3 随时间变化曲线一 图6 - 1 1 曲轴寿命和安全系数变化曲线 图附录1 - 1 雨流计数法。 x 1 0 5 1 0 5 1 0 6 晰蜥 表格清单 表4 - 1n 4 8 5 柴油机曲轴- 轴承系统的参数4 3 表4 - 2 曲轴各单元的有限元模型4 7 表4 - 3 飞轮和带轮的质量与惯性矩4 7 表4 4n 4 8 5 柴油机曲轴的固有频率 表4 - 5 n 4 8 5 柴油机主轴承最大油膜反力( 比较) 一。5 4 表4 - 6 考虑曲轴倾斜时n 4 8 5 柴油机主轴承最大油膜反力矩一5 5 表4 7n 4 8 5 柴油机曲轴主轴承主要润滑特性比较6 1 表4 - 8n 4 8 5 柴油机曲轴主轴颈中心径向振动响应特性。6 6 表4 - 9 n 4 8 5 柴油机曲轴曲柄销中心径向振动响应特性一6 6 表4 1 0n 4 8 5 柴油机曲轴主轴颈中心和曲柄销中一i i , 径向振动频域特性6 6 表5 一l 不计入主轴颈倾斜时曲轴危险点应力谱一一9 8 表5 2 计入主轴颈倾斜时危险点应力谱 表6 - 1 计入轴瓦变形时危险点应力谱 x i 主要符号表 动坐标系到惯性坐标系的转换矩阵 活塞项面积 轴承宽度,m 轴承半径间隙,m 约束雅可比矩阵 气缸直径,m m 微分算子矩阵 偏心距,m d e d t 材料的弹性模量,i v i p a 柔性体的弹性模量矩阵 外载荷激振频率,h z 旋转载荷下系统的共振频率,h z 正弦响应共振频率,h z x 方向油膜反力,n y 方向油膜反力,n 连杆上作用力,n 活塞面积,m 2 切线方向外载荷,n 法线方向外载荷,n x 方向外载荷,n y 方向外载荷,n 重力加速度,m s 2 油膜厚度,m 最小油膜厚度,1 3 3 无量纲油膜厚度 弹性轴瓦的油膜厚度 刚性轴瓦的油膜厚度 油膜厚度测量值,m 截面对x 轴的转动惯量 截面对葺y 轴的惯性积 截面对y 轴的转动惯量 a “曰 。c d d e a e e厂工正凡最一昂e b b b g一五彬h k b b 柔性体动能 柔性体刚度矩阵 作用在节点f 处的单位油膜压力使节点,s 产生的径向变形量 应力集中系数 轴长度,i n 连杆长度,m 连杆重心到连杆大头的距离,m 轴颈质量,蚝 连杆质量,k 活塞组质量,k 柔性体的质量矩阵 总寿命,即整个工作循环数。 无限寿命的最小循环数,即循环基数 转速,r r a i n 第i 级应力水平下的循环数 油膜压力,n m l 2 无量纲油膜压力 最大油膜压力,n m 2 供油压力,n m 2 汽缸内气体压力,m p a 作用在节点f ,处的实际节点油膜压力 轴颈半径,m 为动坐标系的位置矢量 广义坐标 作用于柔性体上的广义力 作用于柔性体上的主动力 作用于柔性体上的惯性力,反映陀螺力和哥氏力引起的力学效应 轴承半径,m 曲柄半径,m 形函数矩阵 时间变量,s 周期,s 位置矢量 油膜厚度测量值,m 丘五略k,三如 m 忱 怖吖 嚏 p p 兰 胁 以所, , g q 鲸g r b s ,r 矿 x ,hz x ,y ,r x ,y ,x ,y z 口 氏 嚣 s l 弱 t q 仃 0 q 3 嘶 a s 吼 o i m 瓤 o :。 a c 口 盯删 d i _ l p 庐 q 虬 惯性坐标系坐标分量 动坐标系坐标分量 五y 方向位移对时间的一阶、二阶导数 无量纲长度坐标 曲柄转角,。 连杆转角,。表面质量系数 实际油膜压力作用下轴承孔表面上各节点的径向变形量 偏心率,8 = e c 应变矢量 油膜压力收敛精度 轴心轨迹收敛精度 尺寸系数 临时坐标 润滑油粘度,p a s ;临时坐标 拉格朗日乘子 泊松比 应力矢量 按第3 强度理论计算的等效应力 第1 主应力 第3 主应力 材料的强度极限 最大应力 最小应力 应力幅 平均应力 疲劳极限 质量密度,k g m 3 偏位角,。 删d t 角速度,m d s 轴颈的转动角速度r a d s 平均应力的折算系数 x i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得 盒星王些态堂 或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 否芝 吗签字日期:口二年f z 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒罡王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借 阅。本人授权盒胆王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名:zi 芝 签字日期:如d 年1 1 月l f 目 学位论文作者毕业后去向 工作单位: 通讯地址: 导师签名:才圭葭名札 签字日期:z d 0 6 年f z 月1 5 日 电话 邮编 致谢 a c k n o w l e d g 伍n t 本文工作是在导师桂长林教授悉,1 5 , 指导下完成的。在跟随导师学习和工作4 年多时间里,导 师严谨的治学态度,不畏困难持之以恒的工作作风和追求真理的科学精神自始至终影晌着我作 者的点滴进步。都是导师辛勤培养和鼓励的结果,在此表示由衷地感谢。 果。 感谢同一课题组的2 位师兄李震教授和孙军教授,为本文提供宝贵的原始资料和前期研究成 感谢国家自然科学基金委员会为本文研究提供的资助( 5 0 1 7 5 0 2 3 ) 。 衷心感谢母亲和家人的关心和支持,他们的爱是激励我前进的力量源泉。 衷,1 5 , 感谢我的妻子,她的理解、支持使我有勇气坚持完成了漫长的求学生涯。 何芝仙 2 0 0 6 年9 月于斛兵塘畔 合肥工业大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 曲轴轴承系统是内燃机中最重要的结构单元之一,主要包括曲轴、主轴承、连杆轴承以及与 之密切相关的连杆、活塞。它们分别是内燃机的主要运动部件和主要摩擦副。内燃机工作可靠性、 耐久性和使用寿命等与曲轴一轴承系统有着十分密切的关系。在内燃机实际工作过程中,曲轴 轴承系统承受复杂的变载荷作用,工作环境十分复杂,导致其失效形式多种多样。实际上,机械 系统运转后。其运动学问题,动力学问题,强度问题,摩擦学问题、热传导问题等是普遍存在, 同时发生的,他们之间必然存在互相联系互相作用和互相影响。就曲轴一轴承系统而言,其机械行 为主要取决于摩擦学、动力学、强度和刚度等,研究曲轴轴承系统的摩擦学、动力学、刚度和强 度特别是它们之间的藕合作用是内燃机设计必须面临的问题。近年来,内燃机朝着高强化、高速 化、大功率的方向发展,对内燃机曲轴轴承系统要求也越来越高。为了适应内燃机发展的要求, 保证曲轴一轴承系统工作可靠、耐久,需要更进一步接近实际,全面和系统地研究曲轴一轴承系 统的机械行为,不断改进设计方法,精确预测曲轴轴承系统的多学科耦合行为。 1 2 内燃机轴承摩擦学研究的进展 内燃机轴承润滑分析在摩擦学研究领域国内外学者已经做了大量的工作,取得了令人瞩目的 成就。内燃机轴承润滑分析最具代表性的基础性方法是汉( h a h n ) 法( 1 9 5 7 ) 、荷兰德( h o l l a n d ) 法 ( 1 9 5 9

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