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内燃机曲轴-轴承系统摩擦学动力学耦合研究

李震  
【摘要】:内燃机曲轴-轴承系统是内燃机的关键部件,其摩擦学、动力学性能不仅直接影响到内燃机工作的可靠性和耐久性,还限制了内燃机潜力的发挥。因而,摩擦学、动力学性能分析历来是该系统设计理论基础的重要组成部分。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,其摩擦学和动力学行为的分析是在两个独立的领域里分别进行的。因此,进行曲轴-轴承系统摩擦学和动力学的耦合研究、提高曲轴-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。 首先,本文在分析现有内燃机轴承润滑分析、曲轴动力学分析和转子动力学相关领域研究现状的基础上,探讨了轴-轴承系统摩擦学、动力学耦合的必要性。认为轴-轴承系统所承受的最普遍、最常见的载荷形式是变载荷,即使是工作在恒定载荷工况下轴-轴承系统,其在加载与卸载过程中也是承受变载荷作用;对变载荷轴承的分析必须同时考虑轴的动力学效应和轴承的摩擦学效应。据此提出将轴和轴承视为一个整体系统,根据轴的动力学方程和滑动轴承的油膜力方程,采用数值积分方法直接耦合求解轴-轴承系统的摩擦学、动力学行为。 其次,本文采用控制理论的基本观点,详细分析了轴-轴承系统中轴承的摩擦学行为与轴动力学行为间的相互联系,提出了轴-轴承系统摩擦学、动力学耦合研究的分析模型,把轴、轴承分别看作是受控对象和控制器,该模型全面客观地反映了轴、轴承之间的内在联系,物理意义清晰,可以涵盖所有类型的轴-轴承系统,为轴-轴承系统的摩擦学、动力学耦合分析提供了新的研究思路。 第三,本文根据轴-轴承系统摩擦学、动力学耦合研究的分析模型,提出了轴-轴承系统摩擦学、动力学耦合研究分析方法:首先建立轴-轴承系统的仿真模型,采用ADAMS和MATLAB联合仿真,实现轴-轴承系统摩擦学、动力学的耦合分析。该方法建模快捷迅速、仿真过程直观、数据处理方便,为研究复杂轴-轴承系统摩擦学、动力学效应的耦合作用建立了有效的方法和手段。 第四,采用本文提出的轴-轴承系统的摩擦学、动力学耦合分析方法,研究了刚性轴-轴承系统在冲击载荷、径向变载荷和旋转载荷作用下的摩擦学、动力学行为,采用扫频法研究了刚性轴-轴承系统的共振频率,详细分析了转速、轴承间隙、轴承宽度、润滑油粘度等因素对刚性轴轴承系统摩擦学、动力学行为的影响。 第五,以弹性轴的柔体动力学分析为基础,建立了弹性轴-轴承系统的仿真模型,通过ADAMS与MATLAB联合仿真,研究了弹性轴-轴承系统在径向正弦载荷作用下的摩擦学、动力学行为,比较了弹性轴-轴承系统和刚性轴-轴承系统的摩擦学、动力学特性。


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