發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和主軸承蓋間微動(dòng)行為的有限元分析
廖日東，左正興
（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京 100081）

【摘要】：本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和主軸承蓋間的微動(dòng)情況進(jìn)行了有限元分析。分析并獲得了應(yīng)力、相對(duì)微動(dòng)滑移、摩擦工作參數(shù)W和缸體摩擦接觸表面上的裂紋萌生位置參數(shù)G。結(jié)果表明，參數(shù)W或G能定量的解釋缸體的微動(dòng)磨損。同時(shí)也研究了預(yù)緊力，摩擦系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體主軸承蓋材料組合的影響。計(jì)算結(jié)果表明通過(guò)提高缸體的彈性模數(shù)而不是改變其余兩個(gè)參數(shù)能夠減輕缸體的微動(dòng)磨損。
關(guān)鍵詞：微動(dòng)；內(nèi)燃機(jī)；缸體；接觸分析；有限元


引言
微動(dòng)就是在兩個(gè)接觸表面上做重復(fù)且相對(duì)很小的位移滑動(dòng)，他的幅值一般都在10~50um范圍內(nèi)。微動(dòng)的一個(gè)典型例子就產(chǎn)生于緊固在一起且振動(dòng)的物體零件上。這項(xiàng)研究說(shuō)明嚴(yán)重的微動(dòng)能導(dǎo)致機(jī)械零件的疲勞破壞并因此大大的縮短其壽命。
近年來(lái)，在一些國(guó)內(nèi)研究和高功率柴油機(jī)的發(fā)展上已出現(xiàn)微動(dòng)疲勞破壞。就如圖1所示，微動(dòng)疲勞引起裂紋在缸體和主軸承蓋配合面上產(chǎn)生，并導(dǎo)致缸體壽命較正常疲勞應(yīng)力下有大幅縮短。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是導(dǎo)致微動(dòng)的首要因素。在這篇論文中，我們通過(guò)進(jìn)行一個(gè)2D有限元分析來(lái)嘗試定量的解釋微動(dòng)破壞模式，并且找出在以后的研究和高功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展中避免微動(dòng)產(chǎn)生的措施。
由于導(dǎo)致缸體微動(dòng)疲勞破壞的力對(duì)于接觸表面既不是切向力也不是垂直力，我們需要研究由徑向微動(dòng)（在y軸方向）和切向微動(dòng)（在x軸方向）組成的綜合微動(dòng)疲勞破壞。但是又由于在y軸方向螺栓的預(yù)緊力比燃燒壓力大的多（超過(guò)4倍），所以主要討論切向微動(dòng)。接觸面上的切向應(yīng)力、微動(dòng)移位、微動(dòng)摩擦工作參數(shù)W、裂紋萌生位置參數(shù)G等參數(shù)可以評(píng)估缸體的微動(dòng)磨損情況。有限元軟件-ANSYS用來(lái)計(jì)算和研究上面這些參數(shù)。

圖1 柴油機(jī)缸體微動(dòng)疲勞破壞（左：缸體和主軸承蓋配合表面；右：缸體上破裂的軸承座）
1 確定有限元模型
1.1簡(jiǎn)化
本文研究的是一臺(tái)V型6缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，微動(dòng)破壞恰就在缸體與主軸承蓋的配合表面產(chǎn)生。在預(yù)緊力作用下配合面上的相互應(yīng)力作用是導(dǎo)致微動(dòng)破壞的主要原因。因此，由曲軸產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力可以忽略?？紤]到內(nèi)燃機(jī)是一個(gè)自身平衡的系統(tǒng)，遠(yuǎn)離配合面的應(yīng)力分布對(duì)微動(dòng)有較少的影響，所以我們只分析其中一個(gè)軸承座和相應(yīng)主軸承蓋（如圖2所示）。參考文獻(xiàn)1說(shuō)明在接觸配合表面當(dāng)模型的尺寸比接觸面的尺寸大3倍時(shí)，有限元分析結(jié)果能滿足微動(dòng)分析的要求。