内燃机主轴承摩擦特性研究及优化.pdf

中文摘要 摘 要 内燃机摩擦副作为内燃机的一部分，其摩擦学性能对整机性能和可靠性有重 大的影响。低摩擦技术的开发和应用是内燃机摩擦学中的一个核心问题, 内燃机通 过整个曲柄连杆机构将缸内压力转化为曲轴旋转运动来输出有用功。曲柄连杆机 构的摩擦损失成为内燃机摩擦损失的主要来源之一,其中主轴承的摩擦损失约占整 机的摩擦 10%-25% ，本文针对主轴承（关键摩擦副）进行仿真和试验的研究，寻 求降摩擦方法。同时,主轴承在工作过程中承受高负荷与高转速的恶劣工况，其润 滑可靠性直接影响内燃机的工作的可靠性。因此现代优良内燃机开发对主轴承的 润滑性能提出了更高的要求，在降摩擦的同时必须保证轴承的可靠性。 本文开展了以下研究工作： 1. 主轴承摩擦功试验测试分析 内燃机整机的摩擦功容易测量, 但在内燃机开发中需要知道各子系统的摩擦 占比和摩擦功值，从而得知摩擦占比大的子系统，并对其进行摩擦优化。摩擦损 失的测定方法有示功图法、拆解倒拖法、灭缸法和油耗线法四种，而在汽油机开 发中，拆解倒拖法得到广泛的应用，本文对拆解倒拖法进行研究和测试分析，得 到了较好的测试结果。 2. 主轴承摩擦润滑的数值分析 轴承润滑状态包括流体润滑、混合润滑和边界润滑。随着润滑油膜厚度的逐 渐变薄，轴承润滑状态逐渐由流体润滑过渡到混合润滑，继而进入边界润滑。曲 轴主轴承承受较大的交变载荷作用，在恶劣工况，其润滑油最小油膜厚度只有几 微米，需进行混合润滑和边界润滑的数值的仿真计算，从而判断主轴承润滑的好 于差。由于轴承润滑影响因素较多，所以数值分析存在许多困难。本文学习了多 体动力学理论、润滑油特性、油膜厚度方程等基本理论，并基于拆解倒拖试验工 况建立了相对应的数值仿真模型，获得了主轴承的摩擦功耗情况。仿真计算值与 拆解倒拖法的测试值进行对比，误差较小，主轴承摩擦计算方法能较好的反映实 际摩擦功耗，可应用于内燃机外特性工况的摩擦润滑特性分析。 在拆解倒拖法建立的数值仿真模型基础上，考虑气缸内压力以及活塞和连杆 的往复和旋转惯性力的影响，对主轴承进行数值分析，得到外特性工况下主轴承 摩擦损失功，用于评估外特性工况下主轴承的摩擦性能，并和拆解倒拖工况进行 对比分析。 3. 主轴承摩擦润滑数值分析优化 本文根据内燃机主轴承的特点，研究了一种主轴承摩擦优化分析方法，通过 I 重庆大学硕士学位论文 对主轴承的优化分析，优化后的主轴承相比原主轴承的摩擦损失有了明显的降低。 4. 主轴承可靠性分析 本文基于流体动力润滑理论，利用AVL EXCITE 多体动力学软件建立了可靠 性仿真模型，计算了优化方案曲轴在不同工况下主轴承的润滑特性，规律，从轴 承油膜厚度，油膜压力、剪切应力、机油温升等方面评估了主轴承的可靠性。 5. 主轴颈最佳油孔位置确定方法 本文从轴瓦展开平面的油压分布规律，确定油孔轴向位置的选取，并通过瞬 态轴承润滑特性分析计算，查看油膜压力随曲柄转角的分布情况，寻找低压区相 对应的油孔周向角度，确定主轴承周向最佳位置。本文比较了两种不同周向位置 油孔方案的油膜压力和摩擦损失情况，最佳周向位置的主轴承相比另外一种方案 的主轴承油膜压力和摩擦损失均有了明显的降低，验证了该方法的可行性。 关键词: 内燃机；主轴承；摩擦损失；倒拖；动力学 II 英文摘要 Abstract The tribological properties of friction pairs of internal combustion engines have a great influence on the performance and reliability o