发动机缸体和主轴承盖间微动行为的有限元分析[外文翻译].doc

发动机缸体和主轴承盖间微动行为的有限元分析
廖日东，左正兴
（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081）

【摘要】：本文对发动机缸体和主轴承盖间的微动情况进行了有限元分析。分析并获得了应力、相对微动滑移、摩擦工作参数W和缸体摩擦接触表面上的裂纹萌生位置参数G。结果表明，参数W或G能定量的解释缸体的微动磨损。同时也研究了预紧力，摩擦系数和发动机缸体主轴承盖材料组合的影响。计算结果表明通过提高缸体的弹性模数而不是改变其余两个参数能够减轻缸体的微动磨损。
关键词：微动；内燃机；缸体；接触分析；有限元


引言
微动就是在两个接触表面上做重复且相对很小的位移滑动，他的幅值一般都在10~50um范围内。微动的一个典型例子就产生于紧固在一起且振动的物体零件上。这项研究说明严重的微动能导致机械零件的疲劳破坏并因此大大的缩短其寿命。
近年来，在一些国内研究和高功率柴油机的发展上已出现微动疲劳破坏。就如图1所示，微动疲劳引起裂纹在缸体和主轴承盖配合面上产生，并导致缸体寿命较正常疲劳应力下有大幅缩短。结构设计不是导致微动的首要因素。在这篇论文中，我们通过进行一个2D有限元分析来尝试定量的解释微动破坏模式，并且找出在以后的研究和高功率柴油发动机的发展中避免微动产生的措施。
由于导致缸体微动疲劳破坏的力对于接触表面既不是切向力也不是垂直力，我们需要研究由径向微动（在y轴方向）和切向微动（在x轴方向）组成的综合微动疲劳破坏。但是又由于在y轴方向螺栓的预紧力比燃烧压力大的多（超过4倍），所以主要讨论切向微动。接触面上的切向应力、微动移位、微动摩擦工作参数W、裂纹萌生位置参数G等参数可以评估缸体的微动磨损情况。有限元软件-ANSYS用来计算和研究上面这些参数。

图1 柴油机缸体微动疲劳破坏（左：缸体和主轴承盖配合表面；右：缸体上破裂的轴承座）
1 确定有限元模型
1.1简化
本文研究的是一台V型6缸柴油发动机，它的结构非常复杂，微动破坏恰就在缸体与主轴承盖的配合表面产生。在预紧力作用下配合面上的相互应力作用是导致微动破坏的主要原因。因此，由曲轴产生的弯曲应力可以忽略。考虑到内燃机是一个自身平衡的系统，远离配合面的应力分布对微动有较少的影响，所以我们只分析其中一个轴承座和相应主轴承盖（如图2所示）。参考文献1说明在接触配合表面当模型的尺寸比接触面的尺寸大3倍时，有限元分析结果能满足微动分析的要求。