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发动机整体模型的主轴承壁有限元分析

发布于:2018-03-14 20:45

有限元分析

       发动机主轴承壁是整个曲轴连杆机构的支撑部件。在发动机运转过程中,主轴承壁除了受到螺栓预紧力、轴瓦过盈量等装配载荷作用外,还承载着曲轴连杆机构往复运动与缸内燃烧压力形成的交变载荷作用。因此,主轴承壁是发动机最危险的部位之一,其强度甚至决定了整个发动机缸体的强度与使用寿命。采用有限元分析对主轴承壁进行强度分析已成为发动机开发设计过程中的必经环节与必要手段。目前的主轴承壁有限元分析模型通常采用局部模型,在计算分析中仅通过1个相关系数来修正相邻2缸发火间隔及压力连续爆发对主轴承壁的影响,使局部模型分析结果的直观性与准确性大大降低。本研究针对某新开发的4缸直列柴油机,建立了包含完整机体、简化缸盖、主轴承盖、主轴瓦、主轴承盖螺栓、缸盖螺栓的接触关系模型,进行主轴承壁的强度分析,为确定该柴油机主轴承壁设计的可靠性提供依据。
       局部模型是从缸体实体模型上切出某一主轴承座进行建模,确定边界条件并进行有限元计算。主轴承壁载荷边界通常有装配载荷、工作载荷与热载荷。装配载荷是由连接螺栓的预紧力与主轴瓦的装配过盈量引起的。工作载荷由缸内燃烧压力与曲拐的惯性力所产生的,缸内燃烧压力与曲拐惯性力通过曲轴传递至主轴瓦,再通过主轴瓦的油膜压力作用在主轴承上。当缸体采用铸铁材料时,由于曲轴箱的温度不是很高,且铸铁材料的热膨胀系数较小,主轴承壁的热应力和热变形都很小,可以不考虑热载荷。
       但当缸体采用铝合金材料、主轴承盖装有铸铁镶块时,由于2种材料的热膨胀系数差距很大,会导致主轴承壁的局部区域出现高应力集中现象,就必须考虑热载荷。装配载荷对各个主轴承而言是一致的,对局部模型没有影响;而发动机的点火顺序与间隔则使各个主轴承的工作载荷存在差异。对于采用1-3-4-2点火顺序的直列4缸机,主轴承24相邻2缸的发火间隔为1800,受相邻2缸连续燃烧压力的影响,最大主轴承载荷相比而言最大;第3主轴承相邻2缸发火间隔为3600,受相邻2缸发火爆压的影响不是连续的,有间隔,所以最大主轴承载荷偏小;而第1、第5主轴承处于曲轴的两端,只受单缸的燃烧压力影响,最大主轴承载荷也偏小。由于各个主轴承油膜压力不同,油膜压力的交变性也是主轴承壁疲劳强度的关键影响因素,因此,采用局部模型已不能完全反映主轴承壁的实际受力状态,也降低了分析结果的直观性与准确性。


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