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内燃机曲轴—轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合研究

何芝仙  
【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-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-轴承系统摩擦学、动力学和强度刚度耦合研究(50175023)。前期工作中,孙军(博士论文《内燃机曲轴-轴承系统摩擦学、刚度和强度耦合研究》)进行了内燃机曲轴-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《内燃机曲轴-轴承系统摩擦学动力学耦合研究》)进行了内燃机曲轴-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-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-轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合问题的特点,根据它们之间耦合强弱,提出了先解决曲轴-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-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ADAMS动力学仿真软件,研究弹性轴-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,研究了轴-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-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-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ANSYS中的参数化编程语言APDL,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-轴承系统的动力学响应密切相关。轴受载变形倾斜使得轴-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N485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ADAMS仿真模型;进行了N485柴油机曲轴-轴承系统在额定工况下主轴承


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