发动机轴承转子动力学分析(多学科行为).doc

第1章　绪 论 1.１　问题背景 往复活塞式内燃机的曲轴系包括活塞、连杆、曲柄等内燃机的主要运动部件。其功用是将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，且将作用的活塞上的燃气压力转化为扭矩，借助飞轮向外输出，从而实现热能向机械能的转化，是内燃机传递运动和动力的机器。内燃机工作时,其机械行为表现为多学科的行为同时发生。实际上,机械设计就是多学科的行为的综合和优化。但以往由于计算机技术落后，计算能力有限，机械行为研究主要集中在单一的学科领域。近年来随着对内燃机动力性和可靠性的要求不断提高,高转速、废气增压发动机的出现，使曲轴系的工作条件愈加苛刻,原有的动力学、摩擦学、强度、刚度等单学科行为研究已远不能适应现代内燃机设计的需要，迫切需求对曲轴系进行多学科行为的综合研究。同时,随着计算技术的发展，各种专业软件的广泛应用，为曲轴系多学科机械行为的研究提供了必要的前提 [1] 。从单一学科的研究，人们已经做了大量的工作，现分述如下： 1.2　曲轴系动力学行为的研究现状 对于曲轴系动力学行为，单缸内燃机传统的分析方法如图1-1，在对各构件进行运动分析的基础上，计算出各自产生的旋转惯性力和往复惯性力，与气体爆发压力合成后求解出对机体的作用力以及曲轴系振动的激振力，这种利用内燃机动力计算方法对曲轴系统进行分析，几何关系非常直观，但是计算过程是十分烦琐的 [1]。 图1-1用内燃机动力计算法 多缸内燃机曲轴系的计算，常用的传统计算方法有两种: 简支梁法和连续梁法[2]。 1 简支梁法 该方法以通过主轴颈中心并垂直于曲轴中心线的平面将曲轴分成若干个曲拐, 每个曲拐视为一简支梁。图1-2 为其计算简图(几何-力学模型)。其不考虑相邻曲拐上作用力的影响，与实际情况有较大差异。 图1-2 简支梁法计算简图 2 连续梁法 　 连续梁法把曲轴简化为多支承的静不定连续梁(图1-3) , 应用三弯矩或五弯矩方程求解。由于假设的几何-力学模型不同, 连续梁法主要有以下三种: 　　① 将曲轴简化为多支承圆柱形连续直梁, 其直径与轴颈直径相同或相当; 　　② 曲轴作为支承在弹性支承上变截面的静不定直梁; 　　③ 曲轴作为支承在弹性支承上的静不定曲梁。 连续梁法一般假设曲轴的支承以铰接形式作用于主轴颈的中点。其将曲轴简化为当量连续梁，根据五弯矩方程求出连续梁各支承处的弯矩，再以一个曲拐为对象计算主轴承负荷。与简支梁法比较，连续梁法更接近实际情况，但其计算需分步进行，各主轴承负荷也是分别求解，因此过程比较复杂、烦琐，而且还存在计算模型简化产生的误差。 图1-3 连续梁法计算简图 近年来，多体系动力学有了进一步的发展，并在机械设计领域有一定的应用。ADAMS软件的出现，使设计人员进一步摆脱了烦琐的编程计算，使虚拟样机技术成为现实。北理工的覃文洁等人利用ADAMS软件对某型车辆V型六缸发动机曲轴系进行过动力学分析，显示了ADAMS动力学分析的优越性 [3]。 图1-4 CAD软件、有限元分析软件和系统动力学分析软件的数据流 1.3　曲轴强度研究现状 确定曲轴强度的方法有两种: 一是试验研究, 二是分析计算。由于试验研究需要花费很长时间和高昂费用, 而且一根曲轴的试验, 也不能说明整批曲轴的强度。另外, 试验研究只能在已制成的曲轴上进行, 设计阶段则无法进行。因此, 人们很早就致力于用分析计算的方法研究曲轴强度。然而, 曲轴强度的计算甚为困难。一方面, 曲轴工作应力的准确计算十分困难: 内燃机曲轴承受弯曲、扭转和振动等多种载荷; 曲轴形状十分复杂, 应力集中相当严重; 轴承的不同心度及工作状态下机体的变形、轴颈与轴承之间的间隙和油膜状况均显著影响曲轴的受力, 并涉及到许多互相关联互相制约的因素。另一方面, 曲轴的强度考核也比较困难,特别是采用工艺强化措施后, 其效果的定量描述难以确定。已有的曲轴强度计算都归结为疲劳强度计算, 其计算步骤分为以下两步: 一是应力计算, 求出曲轴危险部位(如轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近) 的应力幅和平均应力; 二是在此基础上进行疲劳强度计算 [2]。 1.3.1　应力计算 1 应力集中系数的计算 　　在曲轴中, 轴颈与曲柄的过渡圆角处和轴颈油孔附近存在严重的应力集中现象, 传统方法通常用应力集中系数修正由简支梁法或连续梁法计算所得的名义应力, 以计算曲轴的最大工作应力。 　　以往一般通过试验方法研究确定应力集中系数, 提出的应力集中系数计算公式都是经验计算式, 使用时必须注意其适用的参数范围、试验条件以及应用场合, 否则可能产生很大的误差。另外, 它们没有考虑过渡圆角处三维形状的影响, 因此不能用于精确计算。 　　有限元和边界元方法的应用, 为准确地计算应力集中系数提供了可能。由于曲轴几何形状复杂, 三维有限元分析比较费时, 因此Guag