基于Abaqus的某國六柴油機主軸承壁計算分析

李曼利

合肥和安機械制造有限公司技術中心 安徽 合肥 230601

前言

發動機缸體主軸承壁作為支撐曲軸連桿機構的重要部位，在發動機工作過程中，長期承受著運動載荷，同時氣缸燃氣壓力通過活塞、曲柄連桿機構傳遞到主軸承壁上，因此主軸承壁強度、疲勞分析對于發動機正常工作至關重要。

1 有限元模型的建立

1.1 主軸承壁有限元模型建立

將ProE三維數模導入到Hypermesh軟件中進行網格劃分，網格單元使用10節點四面體單元，單元類型為C3D10M。針對模擬分析的重點部位，諸如軸承蓋、螺栓孔及油孔部位使用更加細密的ISO網格進行劃分，以便增加有限元模擬計算的準確性。具體的主軸承壁有限元網格劃分模型如下圖1所示。每個主軸承壁模型包括缸體一部分、主軸承蓋、上下軸瓦、定位銷和主軸承螺栓。其中缸蓋結構對模擬結果影響很小，故采用簡化結構，以加載缸內氣體爆發壓力。

圖1 主軸承壁及相關部件有限元模型

1.2 材料參數選取

材料參數的選取準確與否直接關系到數值模擬分析的準確性，表1是主軸承壁的主要計算輸入材料參數，重點是缸體和主軸承蓋，主要涉及到材料密度、彈性模量以及泊松比等相關宏觀參數。

表1 主軸承壁部件主要計算輸入材料參數

1.3 計算載荷和邊界條件定義

主軸承分析中輸入載荷包含裝配載荷以、缸蓋爆發壓力以及軸瓦EHD力。裝配載荷包括主軸承螺栓預緊力、缸蓋螺栓預緊力、軸瓦過盈載荷；缸蓋爆發壓力指的是相應曲軸轉角下，缸蓋所受到的氣缸內的氣體壓力值；軸瓦EHD力是指不同曲軸轉角下，軸瓦內側油膜所受到的曲軸壓力值，可以通過曲軸動力學分析得到。圖2所示即為有限元模型中的具體約束與邊界條件。

由于EHD力隨時間而不斷變化，根據軸承受力及所受力矩變化，選取數個危險曲軸轉角組成實際分析工況，通過把相應轉角下的軸承載荷映射到軸瓦內表面網格上，從而對主軸承進行分析，計算其強度和疲勞特性。以額定轉速3200rpm工況下為例，根據曲軸動力學分析結果，軸承受力及所受力矩變化情況，選取9個危險曲軸轉角組成實際分析工況：728°、741°、910°、922°、1091°、1099°、1183°、1267°、1280°。具體分析內容如下：

（1）加載最大螺栓預緊力、最大軸瓦過盈量、EHD力時，缸體、主軸承蓋應力分布；

（2）缸體、主軸承蓋高周疲勞分析；

（3）加載最小螺栓預緊力、最大軸瓦過盈量、 EHD力時，主軸承蓋滑移量分析；

（4）加載最小螺栓預緊力、最小軸瓦過盈量時，軸瓦背壓分布。

2 模擬結果及分析

2.1 主軸承壁相關部件強度分析

2.1.1 缸體強度分析

圖3為主軸承壁裝配載荷下缸體主應力分布有限元分析云圖。最大主應力為缸體的拉伸應力，由（a）圖可以看出，最大主應力未超出缸體材料的抗拉極限；缸體最小主應力表征壓應力，負號表示方向，從圖（b）中可以看出，壓應力為350MPa＜750MPa（HT250），未超出材料的屈服極限，滿足設計要求。

2.1.2 主軸承蓋應力分析

圖4為曲軸轉角728°時，主軸承蓋應力及應變云圖，軸承蓋材料為QT500，其屈服極限為320MPa，從圖中可以看出，主軸承蓋平均應力，最大、最小應力均在限值范圍內。

圖4 主軸承蓋各級應力分布（曲軸轉角728°）

通過加載最小螺栓預緊力，最大軸瓦過盈量，計算接觸面滑移量，計算所得CSLIP1與CSLIP2分別為X、Y向滑移量，則最大滑移量計算公式為：

圖5為主軸承蓋滑移量模擬計算結果，從圖5中可以很明顯的看出，主軸承蓋最大滑移量為6μm，國內行業標準要求發動機缸體與主軸承蓋接觸面滑移量＜10μm，因此主軸承蓋最大滑移量在合理范圍內。

圖5 主軸承蓋滑移量分析結果

2.2 主軸承壁相關部件疲勞分析

2.2.1 缸體、主軸承蓋高周疲勞分析

在進行高周疲勞計算時，計算結果需迭加最大裝配應力。圖6為發動機額定轉速3200rpm下，缸體、主軸承蓋高周疲勞分析云圖，考慮到國內供應商的工藝加工能力，應確保缸體、主軸承蓋的疲勞安全系數＞1.1，從圖6（a）、（b）中可以看出，缸體、主軸承蓋高周疲勞安全系數都高于最低安全系數限值。

圖6 缸體、主軸承蓋高周疲勞安全系數

2.3 軸瓦背壓分析

圖7所示為主軸承僅受裝配載荷，考慮最小螺栓預緊力以及最小過盈量工況下冷、熱狀態下軸瓦背壓分布狀況。其中，冷態時，軸瓦平均背壓為15MPa，熱態時，軸瓦平均背壓為17MPa。為確保軸瓦安裝后緊密，需保證軸瓦瓦背壓力＞10MPa，從分析結果來看，無論是冷態，還是熱態，均滿足設計要求。

圖7 冷熱狀態下，軸瓦背壓分布

3 結論

通過對某國六柴油機主軸承壁及相關部件強度、疲勞特性有限元分析，主軸承壁缸體、主軸承蓋的應力分布，軸瓦背壓均在極限抗拉強度和屈服強度的范圍內，滿足強度使用要求。缸體、主軸承蓋的高周疲勞安全系數均高于1.1的最低限值要求，滿足高周疲勞要求；主軸承蓋最大滑移量為6μm，也在＜10μm的限值范圍內。通過主軸承壁的有限元模擬分析，為提升主軸承壁的強度，疲勞耐久等性能提供了參考和依據。