發(fā)動機缸體和主軸承蓋間微動行為的有限元分析
廖日東，左正興
（北京理工大學機械與車輛工程學院，北京 100081）

【摘要】：本文對發(fā)動機缸體和主軸承蓋間的微動情況進行了有限元分析。分析并獲得了應力、相對微動滑移、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磨損。同時也研究了預緊力，摩擦系數(shù)和發(fā)動機缸體主軸承蓋材料組合的影響。計算結(jié)果表明通過提高缸體的彈性模數(shù)而不是改變其余兩個參數(shù)能夠減輕缸體的微動磨損。
關(guān)鍵詞：微動；內(nèi)燃機；缸體；接觸分析；有限元


引言
微動就是在兩個接觸表面上做重復且相對很小的位移滑動，他的幅值一般都在10~50um范圍內(nèi)。微動的一個典型例子就產(chǎn)生于緊固在一起且振動的物體零件上。這項研究說明嚴重的微動能導致機械零件的疲勞破壞并因此大大的縮短其壽命。
近年來，在一些國內(nèi)研究和高功率柴油機的發(fā)展上已出現(xiàn)微動疲勞破壞。就如圖1所示，微動疲勞引起裂紋在缸體和主軸承蓋配合面上產(chǎn)生，并導致缸體壽命較正常疲勞應力下有大幅縮短。結(jié)構(gòu)設(shè)計不是導致微動的首要因素。在這篇論文中，我們通過進行一個2D有限元分析來嘗試定量的解釋微動破壞模式，并且找出在以后的研究和高功率柴油發(fā)動機的發(fā)展中避免微動產(chǎn)生的措施。
由于導致缸體微動疲勞破壞的力對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（在y軸方向）和切向微動（在x軸方向）組成的綜合微動疲勞破壞。但是又由于在y軸方向螺栓的預緊力比燃燒壓力大的多（超過4倍），所以主要討論切向微動。接觸面上的切向應力、微動移位、微動摩擦工作參數(shù)W、裂紋萌生位置參數(shù)G等參數(shù)可以評估缸體的微動磨損情況。有限元軟件-ANSYS用來計算和研究上面這些參數(shù)。

圖1 柴油機缸體微動疲勞破壞（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簡化
本文研究的是一臺V型6缸柴油發(fā)動機，它的結(jié)構(gòu)非常復雜，微動破壞恰就在缸體與主軸承蓋的配合表面產(chǎn)生。在預緊力作用下配合面上的相互應力作用是導致微動破壞的主要原因。因此，由曲軸產(chǎn)生的彎曲應力可以忽略?？紤]到內(nèi)燃機是一個自身平衡的系統(tǒng)，遠離配合面的應力分布對微動有較少的影響，所以我們只分析其中一個軸承座和相應主軸承蓋（如圖2所示）。參考文獻1說明在接觸配合表面當模型的尺寸比接觸面的尺寸大3倍時，有限元分析結(jié)果能滿足微動分析的要求。