直喷汽油机主轴承有限元分析及优化改进

有限元分析

缸体是发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的众多主要零件和附件，承受着各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。主轴承壁部分主要支撑曲柄连杆机构运动载荷，因此准确地对主轴承壁进行疲劳有限元分析寿命校核很有必要，然而其结构及其受力情况比较复杂，很难使用一般的方法来计算。随着有限元法的不断成熟和完善，对发动机进行有限元分析的方法在发动机开发过程中起到越来越重要的作用。笔者针对新开发的某款四缸增压直喷发动机，首先利用有限元法，使用AVL-EXCITE软件对其进行多体动力学模拟，并对主轴承润滑进行分析;然后将主轴承的油膜压力映射到主轴承座的轴瓦表面，再利用Abaqus和FEMFAT软件对其进行强度及疲劳分析，从而确保主轴承壁设计的可靠性。主要从以下三个方面来评价主轴承壁和主轴承盖的可靠性：1)应力；2)高周疲劳(HCF)；3)主轴承壁和主轴承座接触滑移。
普通四缸发动机因为第2和第4轴承壁结构和载荷基本一样，并且第2，4主轴承壁的载荷最大，所以为了简化模型，通常去除第3，4主轴承壁，留下第1，2和第5主轴承壁。同时为了考虑缸盖螺栓对缸体主轴承壁的影响，将缸盖简化成一薄板后得到虚拟缸盖模型。简化后的模型如图所示。为了得到主轴承的油膜压力分布载荷，考虑到气缸体与曲轴系弹性藕合的影响，建立了气缸体组件的弹性体动力学模型(包括缸体和主轴承盖)，并利用有限元子结构方法对气缸体组件模型进行模态缩减，最终形成柔性体动力学仿真模型。利用AVLEXCITE软件建立如图所示的曲轴系多体动力学模型，得到的轴瓦EHD载荷结果如图所示。
缸体通风孔处的高周疲劳强度，从图中可以看出，该处高周疲劳安全系数较低，需对此处机构进行局部优化。图为主轴座和缸体的接触情况，从结果来看，发生了局部的大滑移，这对主轴承座的可靠性和耐久性极其不利，需通过增加螺栓预紧力等措施来解决。针对分析的结果，提出了以下几条设计改进意见：1)主轴承壁上各缸之间通风孔局部修改。2)原螺栓同轴衬套形式的定位方式改为两边定位销定位。3)增大主轴承座螺栓预紧力，将原M9*1.25的12.9级螺栓改为M10*1.5的11.9级螺栓。4)主轴承壁的螺栓沉孔增大一定深度，满足螺纹旋合长度的同时使螺栓预紧力远离主轴承壁和主轴承座的接合面，使其分布更均匀。5)增加主轴座的高度，并局部增加材料，以满足螺栓预紧力增加而产生的更大应力。6)两螺栓间距增加2mm。
通过多种CAE手段利用成熟的评价方法对结构复杂的主轴承壁进行了强度分析，并且针对原有主轴承壁的结构分布情况提出了几处设计改进意见。改进后的主轴承壁有如下优点：1)应力幅值有所降低，尤其是在各缸的通风孔处，应力幅值得到了有效的降低；整个主轴承壁的高周疲劳(HCF)安全系数也由此提高了约17%，满足强度设计标准。2)主轴承壁和主轴承座的接触滑移得到了改善，较大地降低了两者间的滑移量，避免了两者间的相对磨损，提高了轴承座的可靠性和耐久性。整个过程采用仿真技术手段，降低了设计风险；对结构提出了优化意见，成功地解决了发动机设计过程的问题，对后续的试验开发有着很好的指导意义。

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