计入非牛顿、变形及表面形貌效应的动载轴承热流体动力润滑分析

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曲轴轴承是内燃机最为关键的摩擦副之一,其润滑性能直接关系到内燃机工作的可靠性和耐久性。近年来,随着工业的快速发展,法律、法规及环境都对内燃机的设计提出了更高的要求,如提高输出功率、减小体积、提高经济性等,这导致曲轴轴承的工作条件变得非常严酷。高转速、高的交变载荷使得轴承工作过程中可能会经历过高的温升、过大的变形,甚至发生表面接触。在这种情况下,曲轴轴承的润滑性能及损坏必将与热、各种变形及表面形貌等因素密切相关。曲轴轴承为典型的动载荷轴承。鉴于此,本文针对于计入多因素效应的动载荷轴承的润滑问题展开研究,研究地目的为:揭示计入多因素效应后动载荷轴承的润滑机理,并在此基础上探求降低曲轴轴承摩擦功耗的有效途径。本文的研究内容和成果如下:基于流体润滑理论,推导了考虑质量守恒边界的广义Reynolds方程,联立三维能量方程和三维固体热传导方程,建立了动载荷轴承的热流体动力润滑模型。给出了主要模型方程的离散和求解方法,并对模型进行了验证。基于该模型,以汽油机主轴承为例,深入研究了热效应对动载荷轴承润滑性能的影响。结果表明:热效应使最小油膜厚度减小,最大油膜压力增加,瞬时摩擦功耗显著减小,润滑油的泄露量增加。针对于内燃机常用润滑油(多级油)的剪切稀化问题进行了理论研究。结合Gecim提出的本构方程,建立了计入润滑油非牛顿效应的动载荷轴承热流体动力润滑模型。深入分析了润滑油的剪切稀化特性对动载荷轴承热流体动力润滑性能的影响。研究发现:润滑油的剪切稀化特性使轴承工作时的黏度减小,这造成最小油膜厚度、平均摩擦功耗减小,而最大油膜压力、平均流量增加。同时,黏度减小,黏性耗散减小,这又导致轴承的最大工作温度下降。计入变形和表面形貌效应建立了动载荷轴承的热弹性流体动力混合润滑模型。从计算稳定性的角度出发,给出各种变形(轴瓦的弹性变形和热变形,轴颈的热膨胀)及与广义Reynolds方程耦合求解的方法。以某汽油机主轴承为例,深入研究了各种变形及表面形貌对动载荷轴承润滑性能的影响,并得到了一些有价值的结论。使用建立的计入多因素效应的动载荷轴承润滑分析模型,结合实验设计方法,完成了某汽油机主轴承的润滑性能影响参数分析。从轴承(结构、材料、加工方式等)、润滑油及操作工况几个方面选取了十三个影响轴承润滑性能的参数,并设计了十三参数三水平的正交实验表。通过极差法分析了各参数对轴承润滑性能影响的主次顺序。在此基础上,提出了以降摩减耗为目标的轴承改型设计方案,并通过实验对改型方案进行了考察。
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