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发布者: 出处: 日期:2010/7/5 阅读:3012 推荐:0 点评:0
   

1 前言

在耐久性试验中,某发动机主轴瓦出现背面发亮,即出现微动现象。鉴于主轴瓦背压难于测量,决定采用有限元方法,模拟主轴承孔的变形情况,对主轴瓦背压进行计算,找出故障原因;并对改进后的主轴承孔变形再进行有限元分析,确认是否符合要求。

2 计算模型和边界条件

2.1 有限元模型

有限元模型包括气缸体、主轴承盖、上主轴瓦、下主轴瓦、主轴承盖螺栓、曲轴,其中上、下主轴瓦及曲轴是8节点六面体单元,其余是10节点四面体单元。各零件的节点数及单元数见表1,有限元模型见图1。

表1 节点数各零件的单元数和节点数

 

 

图1 有限元模型


网格用hypermesh软件划分,在Abaqus/cae里施加边界条件,最后用abaqus求解。
2.2 材料特性

各零件所用材料及材料特性见表2。

表2  各零件的材料特性

 

2.3 边界条件

由于主轴承孔是在主轴承螺栓装配工况下进行镗孔加工的,消除了螺栓预紧力下主轴承孔变形的影响,本文此只进行轴瓦装配载荷工况、气体压力载荷工况的计算分析。

2.3.1 通用边界条件的处理

图2所示,在汽缸体顶面A加边界条件z=0,对称面B、C施加法向对称边界条件,即所有节点x=0。

 

图2 位移边界条件 


2.3.2 轴瓦装配载荷工况

零件:曲轴箱、缸体、螺栓、轴瓦。计算模型如图3,除主轴承螺栓与主轴承盖、气缸体连接、主轴承盖与气缸体正面接触用tie外,其余的接触用small slide,在上下主轴瓦之间施加过盈,主轴瓦对主轴承孔摩擦系数0.05。

 

图3 装配边界条件

2.3.3 气体压力载荷工况

零件:曲轴箱、缸体、螺栓、轴瓦、曲轴。计算模型如图4,除主轴承螺栓与主轴承盖、气缸体连接、主轴承盖与气缸体正面接触用tie外,其余的接触用small slide,燃气压力为160bar,主轴瓦对主轴承孔摩擦系数0.05,曲轴对轴瓦摩擦系数0.05。

 

图4 载荷边界条件

3 计算结果及分析

3.1 轴瓦装配载荷工况主轴瓦背压

图5是轴瓦装配载荷工况中,最小过盈状态下,上、下主轴瓦背压分布云图,可以看出主轴瓦背压在8.7~8.8MPa左右,小于经验值10MPa,这是主轴瓦出现微动的原因。图6是提高过盈量后,最小过盈状态下,上、下主轴瓦背压分布云图,主轴瓦背压达到了10MPa,满足设计要求。

 

图5 主轴瓦背压分布(轴瓦装配最小过盈载荷工况)

 
图6 提高过盈量后主轴瓦背压分布(轴瓦装配最小过盈载荷工况) 

 


3.2 轴瓦装配载荷工况主轴承孔的变形

图7为提高主轴瓦装配过盈之后,主轴承孔的变形云图,图8是上、下主轴瓦变形云图。由图7可以看出,在轴瓦装配工况下,轴孔径向胀大,其中以水平方向最大。垂直方向最小,因此,考虑主轴承孔主轴瓦与曲轴的间隙,主要只分析垂直方向的位移,具体数据如表3。

 

图7 主轴承孔变形云图(最小过盈,变形放大2000倍)

 
图8 最小过盈量下的主轴瓦变形分布

表3  轴瓦装配工况的计算数据

 

可见提高过盈后,经过计算对比,主轴承孔垂直变形只提高2μm,相差很小,主轴承孔与曲轴的配合间隙符合技术要求。

3.3 气体压力载荷工况主轴承孔的变形

图9是爆发压力载荷工况下气机体及主轴承盖应力和径向变形云图。由图中可以看出,主轴孔变形呈椭圆形,在水平方向收缩,在竖直方向扩大。   

 

图9 主轴承盖、缸体应力云图(最大燃气压力载荷工况,变形放大300倍)

由图9可见,在最大燃气压力下,主轴承孔在水平方向的收缩变形量为0.0196+0.0258=0.0454,根据发动机装配技术条件,小于主轴瓦与曲轴之间间隙的80%这个经验值,可以满足设计要求的。

4 结论

提高主轴瓦的过盈装配量后,主轴瓦没有出现微动现象,主轴孔变形测量值与计算结果非常吻合。由本文可见,Abaqus操作方便,收敛性好,可以准确地模拟接触问题,很适合于在发动机模拟仿真的应用。

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