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机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 45卷第 11 期 2009 年 11 月 Vol 45No 11 Nov 20 09 DOI 10 3901 JME 2009 11 091 计入轴瓦变形的曲轴动应力和疲劳强度计算 何芝仙 1 桂长林 2 李 震 1 孙 军 2 1 安徽工程科技学院机械工程系芜湖241000 2 合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥230009 摘要 采用动力学仿真软件 ADAMS 和有限元分析软件 ANSYS 辅以手工编程相结合的方法 研究计入轴瓦变形时某四缸 柴油机曲轴动应力分析和疲劳强度计算问题 解决计入轴瓦变形的曲轴 轴承系统动力学和摩擦学分析问题 得到动态油膜 压力 采用 ANSYS 中的参数化编程语言 APDL 编写程序实现动态施加力边界条件 计算曲轴动应力 采用损伤积累理论计 算曲轴疲劳强度 研究表明 计入轴瓦变形 主轴承最小油膜厚度大幅度下降 最大油膜压力大幅度上升 曲轴动力学响应 和危险点的动应力也发生变化 曲轴疲劳寿命下降了 15 6 关键词 曲轴 轴承系统轴瓦弹性变形变形矩阵动态油膜压力损伤积累理论 中图分类号 TK402 Calculation of Dynamic Stress and Fatigue Strength of Crankshaft with Bush Deformation Included HE Zhixian1GUI Changlin 2 LI Zhen 1 SUN Jun 2 1 Department of Mechanical Engineering Anhui University of Technology and Science Wuhu 241000 2 School of Mechanical and Automotive Engineering Hefei University ofTechnology Hefei 230009 Abstract Dynamic stressand fatigue strength of a crankshaft of diesel engine withfour cylinders isstudied with consideration of the elastic deformation of bush Special software ADAMS and ANSYS assisted by self designed programs are adopted to solve the problem The dynamic pressures of oil film in the bearings are obtained by analysis of dynamics and tribology of the crankshaft bearing system with consideration of bush deformation Programming language APDL in ANSYS is adopted to compile program for realizing the force boundary condition then the dynamic stress on crankshaft journal surfaces is calculated The fatigue strength of crankshaft is calculated by using damage accumulation theory It is shown that the minimum thickness of oil film decreases and the maximum pressure of oil film increases to a great extent if the elastic deformation of bush is taken into consideration The dynamic response and stressof crankshaft vary and the fatigue life of crankshaftdecreases by 15 6 Key words Crankshaft bearing systemElastic deformation of bushDeformation matrixDynamic pressure of oil film Damage accumulation theory 0前言 曲轴 轴承系统是内燃机中最重要的核心子系 统 它主要由曲轴和轴承组成 动力学计算还会涉 及连杆和活塞 多缸内燃机曲轴 轴承系统相当于 多个曲柄连杆机构并联在一个曲轴上 其曲轴 轴 承系统是具有多支承的超静定系统 支承曲轴的主 轴承润滑油膜还具有非线性的变刚度和变阻尼系 国 家自 然科 学基 金 资助 项目 553 5 收 到初 稿 6 5 收到修改稿 数 多缸内燃机在工作时各汽缸按照一定次序先后 发火 且每缸气体爆发压力在很短的时间内周期性 剧烈变化 即曲轴 轴承系统承受复杂的周期性冲 击变载荷作用 由于问题的复杂性 长期以来 曲 轴 轴承系统动力学 摩擦学 刚度和强度计算都 是在各自的领域单独进行 实际上 内燃机在实际 运行时 主轴承摩擦学 曲轴动力学 曲轴刚度和 强度是同时发生的 存在着不容忽视的非线性耦合 作用 近年来 随着计算技术的发展 各种专业软 件的广泛应用 为曲轴 轴承系统跨学科研究提供 017 022008111 20090 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报第 45卷第 11期期 92 了必要的前提 人们已从单一学科分析进展到跨学 科分析 1 4 文献 3 4 利用 ADAMS 动力学仿真软 件 研究了曲轴 轴承系统动力学 摩擦学和刚度 耦合分析问题 研究发现 考虑耦合效应时 轴承 摩擦学特性和曲轴 轴承系统动力学性能有较大不 同 对曲轴动应力和疲劳强度计算结果也有较明显 影响 5 另一方面 内燃机主轴承在实际工作时 最大油膜压力可高达 100 MPa 以上 其轴瓦表面 弹性变形与最小油膜厚度处于同一数量级 因 此 研究曲轴动应力和疲劳强度计算问题时 必 须从曲轴 轴承系统多学科行为出发 计入轴瓦 表面变形和动力学效应的影响 1求解思路 根据曲轴 轴承系统各学科间相互作用的特 点 求解思路是 以曲轴 轴承系统的动力学分析 为核心 先解决计入轴瓦变形的曲轴 轴承系统动 力学和摩擦学分析问题 然后求解曲轴颈表面动应 力计算问题 动力学分析在 ADAMS 工作环境下进 行 润滑分析自编程序计算 动应力用 ANSYS 软 件计算 具体计算步骤如下所述 1 输入 5 个主轴颈中心运动参数 0i x 0i y 0i x 0i y i 1 5 以及曲轴 轴承系统几何参数等 2 有限差分法求解 Reynolds 方程 输出动态 油膜压力 收敛条件为 1kkk ijijij ppp 0 e min 0 依据危险点应力特点 采用M线性损伤积累理 论进行疲劳强度计算 3 图 13危险点应力 eq3随时间变化曲线 对于复杂应力状态下的非对称循环变应力 其 等效应力幅 edeaem k 9 式中 ea e maxe min 2 em e maxe min 2 k 有效应力集中系数 尺寸系数 表面质量系数 平均应力的折算系数 ea 按照第3强度理论计算的等效应 力的应力幅 em 按照第3强度理论计算的等效应 力的平均应力 e max e min 最大和最小应力 根据损伤积累理论得到的疲劳强度安全系数 计算式为 12 14 1 ed ed max 0ed max m m ii i n n N 10 式中m 材料常数 1 材料的疲劳极限 i n 第i级应力水平下的循环数 N0 无限寿命的最小循环数 即循环 基数 edi ed max 第i个等效应力幅和最大等效应 力幅 采用雨流计数法 13 14 得到的危险点在一个工 作循环内的应力谱见表1 2 根据曲轴的几何结构 尺寸和材料等参数 取0 25 0 78 1k 1 0 1 225 MPa 7 31m 利用式 9 10 计算得到的安全系数和使用寿命之间的关系曲线如 图所示 从图中可以看出 计入轴瓦变形曲 iner 12 1 1414 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 月 2009 年 11 月何芝仙等 计入轴瓦变形的曲轴动应力和疲劳强度计算 97 轴的安全系数明显下降 在使用寿命 7 10N 时 安 全系数由2 113下降到1 783 下降幅度达15 6 表 1不计入轴瓦变形时曲轴危险点应力谱MPa 序号 最大应力 e max 最小应力 e min 应力幅 ea 平均应力 em 相当应力 ed 1142 04014 496 668 772 073 268106 4900 2167 70215 153 026 275 041 428144 0420 3144 96415 153 014 906 030 058126 6240 4144 96439 525 012 719 542 245114 0480 5144 05716 061 918 998 025 059130 6210 6137 38035 798 010 791 036 589110 1610 7127 33625 228 011 054 026 282117 9218 表 2计入轴瓦变形时曲轴危险点应力谱MPa 序号 最大应力 e max 最小应力 e min 应力幅 ea 平均应力 em 相当应力 ed 1167 44014 128 281 656 085 784126 130 0 2125 31016 980 014 165 021 145110 6260 3144 99519 782 012 606032 389124 2590 4176 34318 020 234 161042 182154 3420 5170 94219 504 030 719040 223149 4390 6129 21022 487 013 361525 849110 7720 7127 94524 423 011 761 026 184118 8037 图 14曲轴寿命和安全系数变化曲线 5结论 1 计入轴瓦变形 曲轴 轴承系统动力学行 为发生改变 5个主轴颈轴心轨迹运动范围增大 径向振动响应幅度有不同程度的增大 最大相对增 加量达20 2 计入轴瓦变形 5个主轴承的摩擦学特性发 生变化 最小油膜厚度大幅度减少 最大相对减少 量达67 9 最大油膜压力大幅度升高 最大升幅 达27 8 3 计入轴瓦变形 曲轴危险点的等效应力 eq3 在内燃机一个工作循环内变化曲线发生改变 最大 应力以及对应的曲柄转角发生变化 最大应力增加 了17 9 对应的曲轴安全系数下降了15 6 4 造成曲轴 轴承系统的机械行为发生上述 改变的原因在于 计入轴瓦变形 改变了曲轴 轴 承系统的动力学和摩擦学特性 主轴承的支承刚度 下降 因此 计算曲轴动应力和疲劳强度计入轴瓦 变形也是十分必要的 参考文献 1 ZISSIMOS P M A crankshaft system model for stru cture dynamic analysis of internal combustion engines J Computers and Structures 2001 79 2 009 2027 2 OMIDREZA E P ZISSIMOUS M An elasto hydrody namic coupling of rotating crankshaft and a flexible engine block C Proceedingsof 2003 STLE ASMEJoint International Tribology Conference Ponte Vedra Beach October 26 29 Florida USA 2003 1 12 3 戴旭东 马雪芬 赵三星 等 曲轴主轴承油膜动力润 滑与系统动力学的耦合分析 J 内燃机学报 2003 21 1 86 90 DAI Xudong MA Xuefen ZHAO Sanxing et al Study on coupling of lubrication and dynamical behavior in internal combustion engine J Transaction of CSICE 2003 21 1 86 90 4 李震 内燃机曲轴 轴承系统摩擦学动力学耦合研究 D 合肥 合肥工业大学 2005 LIZhen Couplingresearchesontribologicaland yynamical behaviors of the crankshaft bearing system of internal combustion engines D Hefei Hefei University of Technology 2005 5 孙军 桂长林 潘忠富 内燃机曲轴 轴承系统曲轴变 形引起的轴承润滑变化对曲轴强度的影响 J 机械工 程学报 2006 42 10 109 114 SUNJun GUI Changlin PAN Zhongfu Effect of lubricationstatusof bearingcausedbycrankshaft deformation on crankshaft strength for crankshaft Bearing system of internal combustion engine J Chinese Journal of Mechanical Engineering 2006 42 10 109 114 6 王国强 张进平 虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实 践 M 西安 西北工业大学出版社 2002 WANG Guoqiang ZHANG Jinping Virtual prototype 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