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1、基于三维Elasto水力润滑理论的曲轴设计Takero MakinoToshimitsu Koga长崎研究和发展中心，技术总部通用机械和特种机车总部高效率的要求造成了大量柴油机引擎曲轴的设计困难。当轴承油膜厚度不到几微米时，由于轴承负荷而产生的变形量也仅为几毫米。本论文详细叙述了三维Elasto水力润滑理论理论在4冲程柴油机引擎的曲轴设计上的应用。这些理论包括曲轴的变形和曲轴间隙中油膜的产生原因。绪论近一个时期以来，内燃机的出口量有所增加，但其比重却在下降。这是因为，轴承在恶劣的的环境下使用，大式轴承和主要的轴承连杆的机架变形在轴承的特征上产生重大影响。为解决这一问题，三菱重工业有限公司(以下
2、简称MHI)为这些动态轴承负荷开发了一种应用elasto-hydrodynamic lubrication(EHL)原理的轴承特性预报方法，并且使用这种方法来对MHI公司的大负载柴油机引擎进行设计和评估。图1 坐标系统EHL技术分析轴承表面弹性形变导致的油膜压力，假设轴承刚体机构，既考虑轴承局部表面变形的影响，同时又准确预测特征相对于传统的分析此外，在这些年里, 三菱重工引进EHL技术分析研究由于油膜压力而产生的轴承变形的油膜历史记录，同时追踪轴承清除根据时间历史记录的油填充比例来改善评估的准确性。这份报告介绍了这一技术在大型连杆轴承上的应用实例和对三菱重工的四冲程柴油发动机的主要影响。理论2
3、.1 基本公式图2显示了这份论文中采用坐标系统。影响油膜压力的参数可用方程(1)来表示。 (1)当方程(1)和下面的力平衡组合成一个相对于时间t的联立方程组，这样一来就可以得到轴中心局部和槽油膜厚度的信息。 (2) (3)由于开始的几何间隙，轴的偏心率和弹性形变，所以公式(4) 这样来表示油膜厚度h。（4） 其中： ：粘度压力系数：x轴的偏心率：y轴的偏心率：轴承半径间隙：X方向的离心率：Y方向的离心率 h：油膜厚度 L：变形 N：引擎速度：面积p：油膜压力 ：油填充比例 ：轴承圆周坐标t：时间U：滑动速度：X方向负荷：Y方向负荷 X：X轴方向坐标Y：Y轴方向坐标Z：Z轴方向坐标2.2 分析技
4、术2.2.1 考虑油膜历史记录曲线的EHL技术分析我们开发了一个基于JONES提出的油膜历史记录曲线概念的EHL分析技术，来考虑在轴承间隙中的油的运动。三菱重工的常规EHL技术分析，计算假设在整个轴承表面覆盖润滑油的情况下的压力分布，替代由于计算周围压力获得的负压力区域，并且把油膜断裂边界视为分界线。在以这个边界为条件下，油膜断裂区域的流动连续性不能被满足。另一方面，EHL分析技术研究随着油填充比率和时间的推移而变化的油膜历史记录曲线，则显示流动连续性满足。图2 流量计算至于受到波动负荷的轴承,如发动机轴承，在轴承上实际油膜压力增长受限制的区域，在下文中EHL分析可以得出比常规EHL分析更高的
5、压力结果。这是主要用于检验三菱重工的大型船用柴油机引擎的实际尺寸的。EHL技术分析油膜压力历史记录曲线是作为一个有益的分析工具来用于设计和评价的。2.2.2 计算方法油膜压力P和轴偏心率、的结果可以从联立方程(1)到(4)中获得。由于方程(1)和油膜压力的非线性关系，我们用“牛顿-拉斐尔”方法来确定它们。我们用有限元方法(FEM)(Galerkin方法)进行数字计算，four-point等参数原理被看做是原理内容和线性方程系统的数字化解决方法。为了测定油膜断裂边界，我们改进并使用了适用于油膜历史记录曲线的有限元运算方法的Kumar技术。图2显示的是流量计算。3个案研究 3.1连杆头轴承例如S3
6、l发动机的大型连杆头轴承，我们比较刚体分析和EHL技术分析、并且比较了EHL技术分析的油膜历史记录曲线和传统的EHL技术分析。（a）轴承负载 （b）连杆头FEM模型图3 轴承工作状况的计算 此外，我们测算了连杆头轴承在轴承特性上对曲柄销外形的影响。表格1所示为轴承规格，图3显示了影响轴承和用于计算执行3DFEM模型的负载向量。表格1 S3l引擎大型连接头轴承的尺寸参数轴承直径轴承宽度径向间隙杆长冲程引擎速度润滑油粘度48mm21mm0.025mm145mm78.5mm3600rpm10cP 曲柄角度(deg)(a)最大变化，油膜压力的时间变化曲线(b) 轴心轨迹轴承的圆周坐标 (deg) 轴承
7、的圆周坐标(deg)(c)轴承中心部分的油膜压力(曲轴角度10度) (d)轴承中心部分的油膜压力(曲轴角度10度)图4 大端轴承特性分析结果当考虑到弹性形变，则计算油膜压力的减少量和油膜厚度的增加量。如果考虑到油膜历史曲线，则轴承上油膜压力的实际受力面积的发展受限制，并且压力最大值会变的更大。3.1.1 技术分析对比 在图4(a)里显示了油膜压力随着时间改变而产生的最大变化量。几乎在所有的时间点，取决于刚体分析的油膜压力高于由EHL分析获得的数值。这显然表明，比如说，相对于瞬时时间，曲轴角度大约在10度左右的地方负载相当大。当取决于刚体分析的油膜压力是180（MPa）时，取决于EHL分析的压力
8、是133（MPa）。图4 (c)和(d)显示的是曲柄角度在10度时轴承中心部分的油膜厚度分布状态和油膜压力分布状态。由于考虑到弹性变形，由EHL技术分析得到的油膜厚度相比于由刚体分析得到的几乎差不多大，并且在压力区域几乎一致。比起刚体分析，由EHL分析给出的压力分布区域在圆周方向更宽，并且显示出较低的油膜压力最大值。显然，从图4(b)显示的轴中心轨迹和EHL技术分析表明，轴中心是明显偏离曲轴间隙的。在图4(a)中显示了，在曲轴角度约250度时，由EHL技术分析决定的油膜压力最大值不同于由传统EHL技术分析所决定的数值。当轴向油膜断裂面的一边运动时，曲柄角度调整符合从上部金属到下部金属负载的转变
9、。图4（e）显示的是油膜压力分布状态和曲柄角度在250度时的油填充比例。从这个图表上明显看出，考虑油膜历史曲线的分析显示出，轴承正压力区域的发展由于油量的缺乏而受限制，并且给出相比于传统EHL分析所得到的更高的油膜压力。考虑油膜历史的EHL分析常规EHL分析压力分布油比例(e)压力分布在考虑油膜历史的EHL分析和不考虑油膜历史分析的情况下的差异(在曲轴角度250度)3.1.2 曲柄销外形在轴承特性上的影响直线形桶形曲线形图5 曲柄销外形的形式曲线形桶形直线形图6 由于销的几何误差引起的曲轴特性差异我们评估曲柄销外形在大型连杆头轴承特性上的影响。图5中显示的是我们研究的三种曲柄销外形，即(1)直
10、线型，(2)桶形，(3)曲线形。图6显示的是油膜压力最大值和油膜厚度最小值的分析结果。这表明，在直线外形的曲柄销(1)显示出更大的油膜厚度，并且适合于曲轴的操作条件。 3.2 主要影响这一方法不仅可以适用于分析大型连杆头轴承，而且也适用于大部分轴承和小型连杆头轴承。下面是个一台S6r引擎的4号主轴承的分析实例。表格2显示了轴承的规格，图7显示了包括轴承负载和主要轴承的发动机框架结构的FEM模型。（a）曲轴负载（b）发动机框架结构的FEM模型图7 主要影响的计算情况表格2 S6r引擎四号主轴承的尺寸参数轴承直径轴承宽度径向间隙引擎速度润滑油粘度油槽140mm53mm0.07mm1800rpm10
11、cp水平向和侧面，45，100毫米范围考虑油膜历史的EHL分析常规EHL分析刚体分析曲柄角度(deg)(a)最大变化，油膜压力的时间变化曲线图8(a)所示的油膜压力最大值的时间变化历史记录曲线，显示了刚体分析评估的压力值高于EHL分析的结果。图8(b) 明显显示了曲柄角度在245度时的压力分布状态，考虑了油膜历史记录曲线的EHL分析认为，轴承上由于润滑油的不足而导致油膜压力发展受限制,并且得出比常规EHL分析结果更高的油膜压力数值。因此,有人认为，主要轴承的分析显示了和大型连杆头轴承分析相类似的趋势。 考虑油膜历史的EHL分析常规EHL分析压力分布油比例(b)压力分布在考虑油膜历史的EHL分析
12、和不考虑油膜历史记录分析的情况下的差异(曲轴角度270度)图8 轴承主要特性分析的计算结果4结论EHL分析和研究油膜历史记录曲线的EHL分析是做为一种能够改善发动机曲轴系统可靠性的先进技术来提出的。为了给轻型高功率引擎的开发设计轴承，我们必须用上述评估技术来保证高度的可靠性，并且提高三维CAD设计系统化技术连接的便利性。这项开发的部分是与Truck&Bus Research、开发中心和三菱汽车公司合作的。 正文。（要求不少于1万印刷符）*注：（本注释不是外文翻译的部分，只是本式样的说明解释）1. 译文文章标题为三号黑体居中，缩放、间距、位置标准，无首行缩进，无左右缩进，且前空（四号）2行，段前
13、、段后各0.5行间距，行间距为1.25倍多倍行距；2. 正文中标题为小四号，中文用黑体，英文用Times New Roman体，缩放、间距、位置标准，无左右缩进，首行缩进2字符（两个汉字），无悬挂式缩进，段前、段后间距0.5倍行，行间距为1.25倍多倍行距；3. 正文在文章标题下空一行，在正文标题下另起段不空行，为小四号，中文用宋体，英文用Times New Roman体，缩放、间距、位置标准，无左右缩进，首行缩进2字符（两个汉字），无悬挂式缩进，段前、段后间距无，行间距为1.25倍多倍行距；4. 强行分页时请用插入分页符换页；5. 正文中表格与插图的字体一律用5号楷体；6. 页眉、页脚用为五号居中，中文用楷体，英文用Times New Roman体，缩放、间距、位置标准，无左右缩进，无首行缩进（两个汉字）。外文原文（复印件）