基于ADAMS-ENGINE的曲轴轴承润滑分析

赵艳涛，樊文欣，赵丕欢，李兴然

（中北大学机械工程及自动化学院，太原030051）

基于ADAMS-ENGINE的曲轴轴承润滑分析

赵艳涛，樊文欣，赵丕欢，李兴然

（中北大学机械工程及自动化学院，太原030051）

针对主轴承，建立了含油膜润滑的曲柄连杆机构动力学模型，建立了曲轴主轴承的耦合模型，得到了曲轴轴心轨迹曲线，最小油膜厚度。同时分析了发动机转速、温度及轴承间隙对轴心轨迹和油膜最小厚度的影响。

柴油机多体系统动力学油膜动力润滑

1 前言

柴油机主轴承是柴油机的关键零部件之一,它要承受来自各个气缸的爆发压力以及活塞、连杆、曲轴等运动部件的惯性力。轴承工作时承受较大的周期性变动负荷。与固定负荷轴承不同，变负荷轴承工作时轴颈与轴承接触位置随轴承负荷的不同而不断变化。接触位置的不断变化（轴心运动）使得轴承的承载力也成为一个变值，轴承承载力与最小油膜厚度、机油粘度、轴承间隙和轴承载荷有关。因此，研究轴承的润滑状态及其影响因素，对于保证发动机曲柄连杆机构正常工作是很必要的。

2 滑动轴承油膜动力润滑理论模型[1]

雷诺于1886年首次发表了不可压流体、等粘度润滑膜、瞬态二维径向轴承的动力润滑基本微分方程：

式中，

p——油膜压力；

h——油膜厚度；

x——轴承孔的周向坐标；

z——轴承孔的轴向坐标；

η——润滑油的动力粘度；

U1——轴颈表面的切线速度；

U2——轴承表面的切线速度；

T——时间。

在固定坐标系（以轴承中心为原点）下的瞬态雷诺方程为：

式中，

ρ——机油的密度；

ωb——轴承角速度；

ωj——轴颈角速度。

3 油膜动力润滑动力学耦合模型

利用ADAMS中的ENGINE模块，对1台V8柴油机建立起油膜润滑动力学耦合模型。通过ADAMS中的AutoFlex模块生成机体和曲轴的柔性体，然后借助ENGINE中自带的液压轴承通过节点把柔性机体、曲轴联连起来，生成耦合模型。具体模型如图1所示。在该模型中对柴油机外特性上的不同转速1 000 r/m in、1 600 r/m in、2 000 r/m in和2 400 r/m in（标定转速）工况进行了分析计算。

图1 油膜润滑与柔体系统动力学耦合模型

4 轴心轨迹

在计及构件柔体的基础上，考虑油膜动力润滑，得到曲轴主轴承轴心轨迹曲线。将ADAMS后处理中轴心在（x，y）方向的位移曲线数据取出来，转化为极坐标下相应的转角和极径，利用MATLAB绘制出轴心轨迹曲线，并由此可计算出最小油膜厚度，图2~图6分别为标定工况下发动机各档主轴颈的轴心轨迹曲线。

从图2~图6可知，在特定区域相对偏心率变化剧烈。轴心作高速向心运动，这会使油楔中出现局部真空，形成气泡，并会造成穴蚀，轴承受到破坏。在开设油槽、油孔时应尽量避开这些点，选择最小油膜厚度偏大的区域。

图2 第1档主轴颈轴心轨迹

图3 第2档主轴颈轴心轨迹

图4 第3档主轴颈轴心轨迹

图5 第4档主轴颈轴心轨迹

5 最小油膜厚度

对标定工况下结果进行分析比较，发现在第1档主轴承处最小油膜厚度为2.36μm，其他均大于此值，如图7所示。奥地利李斯特研究所认为，缸径100~150 mm的高速柴油机最小油膜厚度约1.2~1.4μm[2]。

图6 第5档主轴颈轴心轨迹

图7 标定工况下不同轴承处的最小油膜厚度

通过图8可以得到以下结论：最小油膜厚度随转速的增加而增加，这主要是因为转速增加时，由旋转形成的楔形油膜厚度增加；当转速增加到一定值以后，最小油膜厚度变化不大。

图8 发动机转速对主轴承最小油膜厚度的影响

随着温度的增加，润滑油粘度下降，最小油膜厚度减小，参见图9。当润滑油过热时，粘度下降过多会破坏承载油膜直至烧坏轴瓦。所以为保证轴承可靠工作，必须注意油温的变化，并适当加强冷却。

图9 机油温度对主轴承最小油膜厚度的影响

在一定范围内，最小油膜厚度随轴承间隙的增加而减小，如图10所示。随着间隙的增大，润滑油泄漏增加，流量加大，最小油膜厚度也随着减小，同时相应的冲击会加剧，构件易损坏。间隙过大时，甚至都无法正常工作；如果间隙过小，则摩擦磨损增大，润滑油流量不足，温度升高，油膜无法很好地建立，也会使机构无法正常工作。直径间隙一般取轴颈的0.8‰～1.5‰[3]。

图10 轴颈间隙对最小油膜厚度的影响

由图11可以看出，油膜反力最大值出现在第3档轴承处（负号说明力的方向与参考坐标系的负方向一致），对发动机主轴颈与主轴承造成很大的冲击。主轴颈表面疲劳剥落的原因之一就是油膜反力的最大值超过了材料的疲劳强度，因此油膜反力的最大峰值及其作用部位就是轴颈疲劳剥落的可能部位。

6 结论

运用多体系统动力学可以建立包括活塞、连

图11 标定工况下各档主轴承的油膜反力

杆、曲轴、轴承等在内的整个动力系统的动力学模型，得到作用于构件上的动态载荷，为振动噪声、轴承润滑等方面的研究奠定了基础。

曲轴柔性模型对主轴承载荷影响显著，载荷状况更加复杂，也更接近实际装车状态。在这种条件下，分析的轴承润滑结果也是十分精准和可靠的。

1宋潇.基于虚拟样机技术的动力系统扩展建模与分析[D].北京理工大学，2006.

2吴兆汉，汪长民，林桐藩等.内燃机设计[M].北京：北京理工大学出版社，1990.

3胡金蕊.4DC柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究[D].吉林大学，2006.

Analysis of Crankshaft Bearing Lubrication Based on ADAMS-ENGINE

Zhao Yantao,Fan Wenxin,Zhao Pihuan,LiXingran
(College of Mechanical Engineering&Automatization,North University of China, Taiyuan 030051,China)

For the main bearings,a dynam ic crank train of the m odel w ith oil film hydrokinetics and coupled model of m ain bearing were established.Based on those tw o models,crankshaft centermovement curve and m inimum oil film are obtained.Meanw hile,the effects of engine speed,oil temperature and bearing clearance on the crankshaft center movement and m inimum oil film are analyzed.

dieselengine,multi-body system,dynam ics,oil film,hydrokinetics lubrication

来稿日期：2009-04-02

赵艳涛（1984-），男，在读硕士研究生，主要研究方向为内燃机总体技术及结构动态设计。