内燃机曲轴—轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合研究

论文摘要

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

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 内燃机轴承摩擦学研究的进展
• 1.3 内燃机曲轴动力学研究的进展
• 1.3.1 曲轴振动类型的研究进展及分析
• 1.3.2 曲轴振动计算模型的研究进展及分析
• 1.3.3 曲轴振动计算方法的研究进展及分析
• 1.4 内燃机曲轴强度研究进展
• 1.4.1 曲轴强度计算理论的研究进展及分析
• 1.4.2 曲轴强度计算的几何-力学模型与计算方法的研究进展及分析
• 1.5 内燃机曲轴-轴承系统跨学科耦合研究进展
• 1.6 本课题的来源、研究内容和研究意义
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 研究意义
• 1.6.3 研究思路、研究方法和研究内容
• 第二章 计入轴受载变形倾斜时轴-轴承系统动力学摩擦学耦合分析
• 2.1 引言
• 2.2 考虑轴受载变形倾斜时滑动轴承的润滑分析
• 2.2.1 轴颈在轴承中倾斜时的膜厚方程
• 2.2.2 Reynolds方程
• 2.2.3 数值解法
• 2.2.4 轴承油膜反力和反力矩方程
• 2.3 多柔体动力学理论基础
• 2.3.1 柔性体上点的位置向量、速度和加速度
• 2.3.2 多柔体系统的动力学方程
• 2.3.3 ADAMS中多柔体系统动力学方程的求解方法
• 2.4 计入轴受载变形倾斜时轴-轴承系统动力学摩擦学耦合分析
• 2.4.1 动力学计算模型
• 2.4.2 弹性轴的多柔体动力学方程
• 2.4.3 系统建模和求解步骤
• 2.4.4 轴—轴承系统的频响特性
• 2.4.5 轴—轴承系统的动力学行为
• 2.5 本章小结
• 第三章 计入轴倾斜时轴-轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合分析
• 3.1 引言
• 3.2 求解思路
• 3.3 冲击载荷作用下轴-轴承系统动力学摩擦学和刚度耦合分析
• 3.4 考虑动态油膜压力分布时轴颈表面动应力
• 3.4.1 计算模型及步骤
• 3.4.2 计算结果及讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 计入曲轴轴颈倾斜时内燃机曲轴-轴承系统动力学摩擦学耦合分析
• 4.1 引言
• 4.2 作用在曲轴上的激励载荷
• 4.2.1 气体爆发压力
• 4.2.2 曲轴系统零部件的惯性力
• 4.2.3 作用于曲柄销上的总激励载荷
• 4.3 曲轴-轴承系统动力学模型的建立
• 4.3.1 曲轴有限元模型
• 4.3.2 曲轴-轴承系统动力学摩擦学耦合分析仿真模型
• 4.4 N485柴油机曲轴-轴承系统动力学摩擦学耦合分析
• 4.4.1 主轴承摩擦学行为分析
• 4.4.1.1 主轴承油膜反力
• 4.4.1.2 主轴承轴心轨迹
• 4.4.1.3 主轴承最小油膜厚度
• 4.4.1.4 主轴承最大油膜压力
• 4.4.2 曲轴动力学行为分析
• 4.4.2.1 曲轴扭转振动
• 4.4.2.2 曲轴轴向振动
• 4.4.2.3 曲轴径向振动
• 4.4.2.4 曲轴轴颈振动轨迹的三维描述
• 4.5 本章小结
• 第五章 计入曲轴轴颈倾斜的曲轴-轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合分析
• 5.1 引言
• 5.2 动态油膜压力
• 5.2.1 主轴承动态油膜压力
• 5.2.2 曲柄销轴承动态油膜压力
• 5.3 曲轴动应力计算
• 5.3.1 有限元模型建立
• 5.3.2 边界条件的处理
• 5.3.3 曲轴动应力的计算方法
• 5.4 计算结果和讨论
• 5.5 曲轴疲劳强度计算
• 5.5.1 疲劳强度计算公式
• 5.5.2 计算结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 计入轴瓦变形的曲轴轴承系统动力学摩擦学刚度和强度耦合分析
• 6.1 引言
• 6.2 计入轴瓦变形的滑动轴承润滑分析
• 6.2.1 变形矩阵法
• 6.2.2 有限元计算模型及边界条件
• 6.2.3 计入轴瓦变形的滑动轴承润滑分析
• 6.3 计入轴瓦变形的曲轴-系统的动力学和摩擦学耦合分析
• 6.3.1 计入轴瓦变形的曲轴-系统的动力学行为
• 6.3.2 计入轴瓦变形的主轴承的摩擦学特性
• 6.4 计入轴瓦变形的曲轴疲劳强度计算
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 对今后研究的展望
• 参考文献
• 附录1
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读学位期间参与的研究课题