内燃机主轴承耦合动力学的润滑分析

论文摘要

内燃机是一个复杂的摩擦学系统,其中曲轴-轴承系统的润滑特性对内燃机的动力性能具有很大的影响。由于内燃机的做功特点,曲轴正常工作时承受复杂的弯曲和扭转载荷,曲轴的运动也具有独特的动力学特性。曲轴的动力学运动和主轴承的润滑作用相互影响共同保障内燃机动力的稳定输出。目前,国内外学者针对内燃机摩擦系统的研究大多将轴系动力学和轴承润滑单独进行分析,耦合分析的研究也没有完全考虑内燃机轴系的所有受力、多种影响因素的条件下的润滑计算等问题。本文在此基础上将曲轴轴系和轴承视为一个统一的系统,以295G型柴油机为例,建立295G型柴油机的虚拟样机模型,联合MATLAB和ADAMS分析其在考虑曲轴动力学作用下的一个正常工作周期内各个主轴承的润滑特性。本文的主要研究内容如下：首先,通过对流体润滑基本理论的概述和内燃机主轴承润滑研究发展的介绍认识到现阶段内燃机曲轴轴承综合研究中存在的不足和问题。明确了本文的研究内容：分析耦合动力学的主轴承润滑特性的理论基础,以295G型柴油机为例进行一个工作周期内的润滑仿真分析。然后,从理论上逐一分析了结合曲轴动力学的内燃机主轴承润滑性能分析的可行性。根据雷诺方程的一般形式推导出了考虑轴颈挠曲变形的向心滑动轴承润滑瞬态分析的雷诺方程以及油膜反力、油膜反力矩、摩擦阻力和润滑油流量的数值积分计算公式,介绍了考虑轴颈挠曲变形的向心滑动轴承雷诺方程数值计算的步骤和方法,并基于此开发了MATLAB的向心滑动轴承瞬时状态润滑分析软件。其次,提出了结合曲轴动力学的内燃机主轴承润滑性能分析基本模型：在ADAMS中创建内燃机曲轴轴系的柔性体虚拟样机,在Simulink中创建主轴承润滑分析模块并组装“内燃机轴系-轴承”反馈控制系统,通过ADAMS/Controls模块实现Simulink对虚拟样机的实时反馈开环控制。对柔性体曲轴的主要受力分别进行分析,并总结推导了不同受力的求解公式。最后,根据以上理论基础以295G柴油机为研究对象,详细的介绍了内燃机耦合动力学的主轴承润滑分析建模的步骤：首先结合ANSYS和ADAMS建立曲轴的柔性体模型,继而对曲轴模型各个受力部位施加外部载荷,通过ADAMS/Control建立曲轴运动分析模块,在Simulink中组建“内燃机轴系-轴承”反馈控制系统。对295G柴油机主轴承润滑性能进行仿真,并对仿真结果进行分析,这证明了联合MATLAB和ADAMS分析内燃机耦合动力学的轴承润滑特性方法的理论的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及发展概况
• 1.2.1 流体润滑理论的发展概况
• 1.2.2 内燃机主轴承润滑研究的发展
• 1.3 本领域内存在的不足及待深入研究的问题
• 1.3.1 曲轴轴系的动力输入输出
• 1.3.2 计入多种影响因素的条件下曲轴轴系动力学摩擦学耦合研究
• 1.3.3 相应的实验验证
• 1.3.4 专用软件的开发
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 考虑曲轴挠曲变形的内燃机主轴承动力学润滑理论
• 2.1 引言
• 2.2 滑动轴承润滑基本方程
• 2.2.1 轴颈与轴承轴心线平行的向心滑动轴承雷诺方程
• 2.2.2 考虑轴颈挠曲变形的向心滑动轴承雷诺方程
• 2.3 考虑轴颈挠曲变形的向心滑动轴承雷诺方程数值分析方法
• 2.3.1 区域网格划分
• 2.3.2 Reynolds方程差分迭代式的推导
• 2.3.3 向心滑动轴承油膜压力数值解的求解过程
• 2.4 向心滑动轴承的其他润滑参数
• 2.4.1 油膜反力和油膜反力距
• 2.4.2 摩擦阻力
• 2.4.3 润滑油流量
• 2.5 基于MATLAB的向心滑动轴承分析软件开发
• 2.5.1 MATLAB简介
• 2.5.2 程序设计
• 2.5.3 程序界面及运行情况
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于内燃机轴系动力学的主轴承润滑分析模型
• 3.1 基于内燃机轴系动力学的润滑分析基本原理
• 3.1.1 基于MATLAB的润滑分析
• 3.1.2 基于ADAMS的多柔体动力学基础
• 3.2 基于内燃机轴系动力学的润滑分析基本模型
• 3.2.1 基于MATLAB的滑动轴承润滑分析模块
• 3.2.2 基于ADAMS的多柔性体动力学模块
• 3.3 基于内燃机轴系动力学的润滑分析的仿真步骤
• 3.4 本章小结
• 第4章 作用于曲轴上的载荷分析
• 4.1 气缸内气体爆发力
• 4.2 曲柄连杆机构的惯性力
• 4.3 凸轮配气机构的作用力
• 4.4 机油泵、冷却系统和附属发电机的负荷
• 4.5 本章小结
• 第5章 295G型柴油机结合曲轴轴系动力学的主轴承润滑分析
• 5.1 295G型柴油机简介
• 5.2 曲轴轴系的柔性体建模
• 5.2.1 在ANSYS中建立轴系的有限元模型
• 5.2.2 在ADAMS中建立曲轴的柔性体模型
• 5.3 对柔性体曲轴施加外载荷
• 5.3.1 作用于曲柄销上的载荷
• 5.3.2 作用于正时齿轮上的载荷
• 5.3.3 作用于皮带轮上的载荷及工作载荷
• 5.4 建立内燃机曲轴-轴承反馈控制系统
• 5.4.1 建立内燃机曲轴运动模块
• 5.4.2 建立主轴承润滑分析模块
• 5.4.3 装配完整的内燃机曲轴-轴承反馈控制系统
• 5.5 295G型柴油机曲轴-轴承反馈控制系统的仿真和调试
• 5.6 主轴承润滑特性分析
• 5.6.1 主轴承油膜反力
• 5.6.2 主轴承轴心轨迹
• 5.7 本章小结
• 全文总结
• 主要内容与结论
• 本文的特色
• 对今后研究的展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表