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偏心对发动机主轴轴承性能特性的影响

穆斯塔法·拉玛a,lowast;，杰梅尔·弗里（DjamelFrihi）a，丹尼尔·尼古拉斯（DanielNicolas）b

a圭尔马大学机械工程系，BP401圭尔马24000，阿尔及利亚

b法国普瓦捷大学URA-CNRS固体力学实验室

2001年7月9日收到；修订并于2001年11月26日接受

摘要：本文研究了静态不对中对主轴轴承动态性能的影响。布克的迁移率方法用于预测轴承的性能参数，例如动态载荷条件下的最小油膜厚度和轴颈中心循环路径。将理论结果与对准轴承的结果进行比较。以Ruston-Hornsby6Veb-XMkIII发动机大端轴承为例，验证了结合本分析的计算机程序。结果表明，即使对位参数值较低，对位误差也会对最小膜厚和轴颈中心轨迹产生重大影响。还发现，圆周进给槽的存在会引起这种轴承之间的金属接触。

关键词：主曲轴轴承；流动性方法；错位

符号

1.引言

考虑不对中现象的内燃机曲轴轴承的设计是一个复杂的问题，因为它不仅需要了解轴承载荷，而且还需要确定不对中参数（alpha;和gamma;）。在这种轴承中，未对准主要是由于曲轴的弹性挠曲，该挠曲受到重要的气体和惯性力的作用。在实际应用中，轴承载荷以及失调参数在发动机循环期间在大小和方向上都会变化。

该问题在工业环境中很重要，因为发动机轴承的故障可能会导致严重的机械故障（通常在曲轴中），然后需要进行昂贵的维修。

由于此问题的复杂性，已经进行了一些考虑到动态载荷的研究，其中大多数研究的是稳态载荷情况。第一项实验研究由SAMcKee和JRMcKee（1932）观察到，在偏心载荷的情况下，峰值压力位置会偏离轴承的轴向中心，从而产生偏心扭矩。1950年，Walther和Sassenfeld（1950）提出了一种允许确定未对中轴颈轴承压力分布的分析方法。七年后，Dubois等人（1953）通过实验研究了未对准缺陷对轴颈轴承性能特征的影响。Smalley和McCallion（1966）显示了轴颈未对准对在稳定运行条件下纵横比分别为0.5和0.75的牛顿润滑剂润滑的全轴颈轴承性能的影响。Asanabe等人（1972）对带沟轴承在不对中和稳定载荷下进行了理论和实验研究，但仅考虑了垂直面上的不对中。1972年，尼古拉斯（1972）进行了同样的调查。轴向供应槽位于中平面轴承部分的最大膜厚处Pinkus和Bupara（1979）对轴向开槽的轴颈轴承进行了详尽的分析,获得的结果以图表和表格的形式发布。Mokhtar等（1985年）给出了轴向和螺旋进给的过程中轴颈轴承的解决方案。Bousaid和Chaomleffel（1987）给出了偏心比ε00.2和0.8的两个值时，未对准参数对三个非对称凸面轴承动力学特性的影响，他们证明错位的影响很重要。

在偏心率较低的情况下，尤其是当偏心度超过60％时。Safar等。（1989）分析了静态在湍流状态下未对中的轴颈轴承的性能特征。结果表明，偏心对轴承的性能特征有重要影响，尤其是在较低的偏心率下。此外，他们发现，未对准方向角的影=响几乎可以忽略不计。

Vijayaraghavan和Keith（1990）考虑了空化和饥饿效应，分析了有限沟槽的未对准轴颈轴承。改进的Elrod空化算法用于预测膜破裂和再形成前沿的位置。通过分析，作者表明，对于较大程度的不对中，轴承的性能特征与对中的轴颈轴承的预测有很大不同。

在上述所有理论和实验研究中，作者仅考虑了稳定加载的轴颈轴承情况。

许多研究人员选择了RustonHornsby发动机的大型轴承进行研究并比较理论结果。很难在本文中列出所有这些出版物，但是Campbell等人在综述文件中进行了很好的调查。

在动态载荷情况下发表的具体研究工作是Goenka（1984）。作者使用有限元技术研究了未对准的大型连杆轴承。失准被认为是恒定的并且垂直于杆的轴线。

辛格和辛哈桑（SinghandSinhasan）（1988）研究了小的未对准对未开槽的大端轴承动力特性的影响。为了获得流体动力压力，采用了Galerkin的有限元方法来求解轴承间隙中流场的Navier-Stokes方程。选择Ruston和Hornsby引擎作为计算和比较结果的示例。作者发现，最小油膜厚度的值比平行轴轴承箱的最小油膜厚度小28％。

除了不对准外，Maspeyrot和Frecirc;ne（1988）分析了具有形状缺陷的Ruston–Hornsby柴油机的大端轴承（锥形和抛物线形轴承）的行为。他们的分析基于使用布克（1971）的迁移率方法的数值技术。作者表明，形状缺陷和未对准会分别将最小薄膜厚度降低约8％和55％。

本文的目的是分析未对准对属于四冲程汽油发动机的曲轴轴承的流体动力学特性的影响。认为考虑的失准在大小和方向上都是恒定的。有效而快速的移动性方法被应用于预测轴承的性能参数。

在这项工作中，我们特别希望研究偏心对最小薄膜厚度的影响，因为它是内燃机轴承设计中最重要的参数。确实，如果发动机循环中的油膜厚度从未低于临界最小值，则轴承将是安全的。

2.流体力学方程

2.1膜厚方程

对于此处介绍的分析，采用了以下假设：

• 等温条件
• 层流
• 牛顿润滑剂
• 刚性轴承表面

在图1轴承未对准的情况下，油膜厚度方程可写为（Lahmaretal。，2000）：

其中是轴承的中平面部分的偏心率，delta;C1C2/C是完整的轴颈中心线在中平面部分上的投影的相对大小，beta;是轴颈后中心线投影与偏心向量之间的夹角。

通过以下替换，公式（1）可以变为无量纲：

然后，等式（1）变为：

注意，膜的几何形状取决于周向和轴向坐标theta;和z。如图1所示，圆周坐标的原点位于轴承的中心线。

轴与轴承壁金属接触的最大delta;值可计算为：

delta;max在0到2之间变化。

delta;可以用delta;max和参数Dm表示为：

其中Dm是未对准的程度，该值在0到1之间变化。

如图2所示，还可以通过角度和gamma;来表征失准。从几何角度考虑，参数alpha;，beta;，gamma;和d=|C1C2|。可以通过以下关系来关联：

其中L是轴承长度。

对于任何轴向位置，偏心率均可计算如下：

图1.轴承未对准的几何构造

图2.轴颈轴承坐标几何

图3.移动图

2.2非稳态雷诺方程和膜破裂条件

在图2的局部坐标系（O，x，y，z）中，层流、等温条件和牛顿润滑剂的归一化雷诺方程可写为（Lahmaretal。，2000）：

（5）

omega;=omega;s omega;bpsi;˙2是相对角速度，而p=PF，LD.点表示相对于时间的导数。

根据布克（1971）的迁移率方法，参数ε0和phi;可以表示为两个分量Mε和迁移率向量M的Mphi;：

alpha;M是迁移率矢量与偏心方向之间的夹角图3。

上面两式代入方程式（5）并引入无量纲压力P=P会导致：

（6）

考虑到膜破裂的斯威夫特-斯蒂伯边界条件是（斯威夫特，1931；斯提伯，1933）：

（7）

其中theta;s是空化角，这是先验图4所不知道的。使用有限差分技术以数值方式获得轴承间隙中产生的流体动力压力。Chr

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