柴油機(jī)曲軸工藝規(guī)程設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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Technical Review Vol.39 No.1(Feb.2002) 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語： 簽名： （親筆簽名） 年 月 日注：請將該封面與附件裝訂成冊?；谌SElasto水力潤滑理論的曲軸設(shè)計(jì)Takero MakinoToshimitsu Koga長崎研究和發(fā)展中心，技術(shù)總部通用機(jī)械和特種機(jī)車總部高效率的要求造成了大量柴油機(jī)引擎曲軸的設(shè)計(jì)困難。當(dāng)軸承油膜厚度不到幾微米時，由于軸承負(fù)荷而產(chǎn)生的變形量也僅為幾毫米。本論文詳細(xì)敘述了三維Elasto水力潤滑理論理論在4沖程柴油機(jī)引擎的曲軸設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。這些理論包括曲軸的變形和曲軸間隙中油膜的產(chǎn)生原因。緒論近一個時期以來，內(nèi)燃機(jī)的出口量有所增加，但其比重卻在下降。這是因?yàn)椋S承在惡劣的的環(huán)境下使用，大式軸承和主要的軸承連桿的機(jī)架變形在軸承的特征上產(chǎn)生重大影響。為解決這一問題，三菱重工業(yè)有限公司(以下簡稱MHI)為這些動態(tài)軸承負(fù)荷開發(fā)了一種應(yīng)用elasto-hydrodynamic lubrication(EHL)原理的軸承特性預(yù)報(bào)方法，并且使用這種方法來對MHI公司的大負(fù)載柴油機(jī)引擎進(jìn)行設(shè)計(jì)和評估。圖1 坐標(biāo)系統(tǒng)EHL技術(shù)分析軸承表面彈性形變導(dǎo)致的油膜壓力，假設(shè)軸承剛體機(jī)構(gòu)，既考慮軸承局部表面變形的影響，同時又準(zhǔn)確預(yù)測特征相對于傳統(tǒng)的分析此外，在這些年里, 三菱重工引進(jìn)EHL技術(shù)分析研究由于油膜壓力而產(chǎn)生的軸承變形的油膜歷史記錄，同時追蹤軸承清除根據(jù)時間歷史記錄的油填充比例來改善評估的準(zhǔn)確性。這份報(bào)告介紹了這一技術(shù)在大型連桿軸承上的應(yīng)用實(shí)例和對三菱重工的四沖程柴油發(fā)動機(jī)的主要影響。理論2.1 基本公式圖2顯示了這份論文中采用坐標(biāo)系統(tǒng)。影響油膜壓力的參數(shù)可用方程(1)來表示。 (1)當(dāng)方程(1)和下面的力平衡組合成一個相對于時間t的聯(lián)立方程組，這樣一來就可以得到軸中心局部和槽油膜厚度的信息。 (2) (3)由于開始的幾何間隙，軸的偏心率和彈性形變，所以公式(4) 這樣來表示油膜厚度h。（4） 其中： ：粘度壓力系數(shù)：x軸的偏心率：y軸的偏心率：軸承半徑間隙：X方向的離心率：Y方向的離心率 h：油膜厚度 L：變形 N：引擎速度：面積p：油膜壓力 ：油填充比例 ：軸承圓周坐標(biāo)t：時間U：滑動速度：X方向負(fù)荷：Y方向負(fù)荷 X：X軸方向坐標(biāo)Y：Y軸方向坐標(biāo)Z：Z軸方向坐標(biāo)2.2 分析技術(shù)2.2.1 考慮油膜歷史記錄曲線的EHL技術(shù)分析我們開發(fā)了一個基于JONES提出的油膜歷史記錄曲線概念的EHL分析技術(shù)，來考慮在軸承間隙中的油的運(yùn)動。三菱重工的常規(guī)EHL技術(shù)分析，計(jì)算假設(shè)在整個軸承表面覆蓋潤滑油的情況下的壓力分布，替代由于計(jì)算周圍壓力獲得的負(fù)壓力區(qū)域，并且把油膜斷裂邊界視為分界線。在以這個邊界為條件下，油膜斷裂區(qū)域的流動連續(xù)性不能被滿足。另一方面，EHL分析技術(shù)研究隨著油填充比率和時間的推移而變化的油膜歷史記錄曲線，則顯示流動連續(xù)性滿足。圖2 流量計(jì)算至于受到波動負(fù)荷的軸承,如發(fā)動機(jī)軸承，在軸承上實(shí)際油膜壓力增長受限制的區(qū)域，在下文中EHL分析可以得出比常規(guī)EHL分析更高的壓力結(jié)果。這是主要用于檢驗(yàn)三菱重工的大型船用柴油機(jī)引擎的實(shí)際尺寸的。EHL技術(shù)分析油膜壓力歷史記錄曲線是作為一個有益的分析工具來用于設(shè)計(jì)和評價的。2.2.2 計(jì)算方法油膜壓力P和軸偏心率、的結(jié)果可以從聯(lián)立方程(1)到(4)中獲得。由于方程(1)和油膜壓力的非線性關(guān)系，我們用“牛頓-拉斐爾”方法來確定它們。我們用有限元方法(FEM)(Galerkin方法)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，four-point等參數(shù)原理被看做是原理內(nèi)容和線性方程系統(tǒng)的數(shù)字化解決方法。為了測定油膜斷裂邊界，我們改進(jìn)并使用了適用于油膜歷史記錄曲線的有限元運(yùn)算方法的Kumar技術(shù)。圖2顯示的是流量計(jì)算。3個案研究 3.1連桿頭軸承例如S3l發(fā)動機(jī)的大型連桿頭軸承，我們比較剛體分析和EHL技術(shù)分析、并且比較了EHL技術(shù)分析的油膜歷史記錄曲線和傳統(tǒng)的EHL技術(shù)分析。（a）軸承負(fù)載 （b）連桿頭FEM模型圖3 軸承工作狀況的計(jì)算 此外，我們測算了連桿頭軸承在軸承特性上對曲柄銷外形的影響。表格1所示為軸承規(guī)格，圖3顯示了影響軸承和用于計(jì)算執(zhí)行3DFEM模型的負(fù)載向量。表格1 S3l引擎大型連接頭軸承的尺寸參數(shù)軸承直徑軸承寬度徑向間隙桿長沖程引擎速度潤滑油粘度48mm21mm0.025mm145mm78.5mm3600rpm10cP 曲柄角度(deg)(a)最大變化，油膜壓力的時間變化曲線(b) 軸心軌跡軸承的圓周坐標(biāo) (deg) 軸承的圓周坐標(biāo)(deg)(c)軸承中心部分的油膜壓力(曲軸角度10度) (d)軸承中心部分的油膜壓力(曲軸角度10度)圖4 大端軸承特性分析結(jié)果當(dāng)考慮到彈性形變，則計(jì)算油膜壓力的減少量和油膜厚度的增加量。如果考慮到油膜歷史曲線，則軸承上油膜壓力的實(shí)際受力面積的發(fā)展受限制，并且壓力最大值會變的更大。3.1.1 技術(shù)分析對比 在圖4(a)里顯示了油膜壓力隨著時間改變而產(chǎn)生的最大變化量。幾乎在所有的時間點(diǎn)，取決于剛體分析的油膜壓力高于由EHL分析獲得的數(shù)值。這顯然表明，比如說，相對于瞬時時間，曲軸角度大約在10度左右的地方負(fù)載相當(dāng)大。當(dāng)取決于剛體分析的油膜壓力是180（MPa）時，取決于EHL分析的壓力是133（MPa）。圖4 (c)和(d)顯示的是曲柄角度在10度時軸承中心部分的油膜厚度分布狀態(tài)和油膜壓力分布狀態(tài)。由于考慮到彈性變形，由EHL技術(shù)分析得到的油膜厚度相比于由剛體分析得到的幾乎差不多大，并且在壓力區(qū)域幾乎一致。比起剛體分析，由EHL分析給出的壓力分布區(qū)域在圓周方向更寬，并且顯示出較低的油膜壓力最大值。顯然，從圖4(b)顯示的軸中心軌跡和EHL技術(shù)分析表明，軸中心是明顯偏離曲軸間隙的。在圖4(a)中顯示了，在曲軸角度約250度時，由EHL技術(shù)分析決定的油膜壓力最大值不同于由傳統(tǒng)EHL技術(shù)分析所決定的數(shù)值。當(dāng)軸向油膜斷裂面的一邊運(yùn)動時，曲柄角度調(diào)整符合從上部金屬到下部金屬負(fù)載的轉(zhuǎn)變。圖4（e）顯示的是油膜壓力分布狀態(tài)和曲柄角度在250度時的油填充比例。從這個圖表上明顯看出，考慮油膜歷史曲線的分析顯示出，軸承正壓力區(qū)域的發(fā)展由于油量的缺乏而受限制，并且給出相比于傳統(tǒng)EHL分析所得到的更高的油膜壓力?？紤]油膜歷史的EHL分析常規(guī)EHL分析壓力分布油比例(e)壓力分布在考慮油膜歷史的EHL分析和不考慮油膜歷史分析的情況下的差異(在曲軸角度250度)3.1.2 曲柄銷外形在軸承特性上的影響直線形桶形曲線形圖5 曲柄銷外形的形式曲線形桶形直線形圖6 由于銷的幾何誤差引起的曲軸特性差異我們評估曲柄銷外形在大型連桿頭軸承特性上的影響。圖5中顯示的是我們研究的三種曲柄銷外形，即(1)直線型，(2)桶形，(3)曲線形。圖6顯示的是油膜壓力最大值和油膜厚度最小值的分析結(jié)果。這表明，在直線外形的曲柄銷(1)顯示出更大的油膜厚度，并且適合于曲軸的操作條件。 3.2 主要影響這一方法不僅可以適用于分析大型連桿頭軸承，而且也適用于大部分軸承和小型連桿頭軸承。下面是個一臺S6r引擎的4號主軸承的分析實(shí)例。表格2顯示了軸承的規(guī)格，圖7顯示了包括軸承負(fù)載和主要軸承的發(fā)動機(jī)框架結(jié)構(gòu)的FEM模型。（a）曲軸負(fù)載（b）發(fā)動機(jī)框架結(jié)構(gòu)的FEM模型圖7 主要影響的計(jì)算情況表格2 S6r引擎四號主軸承的尺寸參數(shù)軸承直徑軸承寬度徑向間隙引擎速度潤滑油粘度油槽140mm53mm0.07mm1800rpm10cp水平向和側(cè)面，45，100毫米范圍考慮油膜歷史的EHL分析常規(guī)EHL分析剛體分析曲柄角度(deg)(a)最大變化，油膜壓力的時間變化曲線圖8(a)所示的油膜壓力最大值的時間變化歷史記錄曲線，顯示了剛體分析評估的壓力值高于EHL分析的結(jié)果。圖8(b) 明顯顯示了曲柄角度在245度時的壓力分布狀態(tài)，考慮了油膜歷史記錄曲線的EHL分析認(rèn)為，軸承上由于潤滑油的不足而導(dǎo)致油膜壓力發(fā)展受限制,并且得出比常規(guī)EHL分析結(jié)果更高的油膜壓力數(shù)值。因此,有人認(rèn)為，主要軸承的分析顯示了和大型連桿頭軸承分析相類似的趨勢。 考慮油膜歷史的EHL分析常規(guī)EHL分析壓力分布油比例(b)壓力分布在考慮油膜歷史的EHL分析和不考慮油膜歷史記錄分析的情況下的差異(曲軸角度270度)圖8 軸承主要特性分析的計(jì)算結(jié)果4結(jié)論EHL分析和研究油膜歷史記錄曲線的EHL分析是做為一種能夠改善發(fā)動機(jī)曲軸系統(tǒng)可靠性的先進(jìn)技術(shù)來提出的。為了給輕型高功率引擎的開發(fā)設(shè)計(jì)軸承，我們必須用上述評估技術(shù)來保證高度的可靠性，并且提高三維CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)化技術(shù)連接的便利性。這項(xiàng)開發(fā)的部分是與Truck&Bus Research、開發(fā)中心和三菱汽車公司合作的。 正文。（要求不少于1萬印刷符）*注：（本注釋不是外文翻譯的部分，只是本式樣的說明解釋）1. 譯文文章標(biāo)題為三號黑體居中，縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn)，無首行縮進(jìn)，無左右縮進(jìn)，且前空（四號）2行，段前、段后各0.5行間距，行間距為1.25倍多倍行距；2. 正文中標(biāo)題為小四號，中文用黑體，英文用Times New Roman體，縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn)，無左右縮進(jìn)，首行縮進(jìn)2字符（兩個漢字），無懸掛式縮進(jìn)，段前、段后間距0.5倍行，行間距為1.25倍多倍行距；3. 正文在文章標(biāo)題下空一行，在正文標(biāo)題下另起段不空行，為小四號，中文用宋體，英文用Times New Roman體，縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn)，無左右縮進(jìn)，首行縮進(jìn)2字符（兩個漢字），無懸掛式縮進(jìn)，段前、段后間距無，行間距為1.25倍多倍行距；4. 強(qiáng)行分頁時請用插入分頁符換頁；5. 正文中表格與插圖的字體一律用5號楷體；6. 頁眉、頁腳用為五號居中，中文用楷體，英文用Times New Roman體，縮放、間距、位置標(biāo)準(zhǔn)，無左右縮進(jìn)，無首行縮進(jìn)（兩個漢字）。外文原文（復(fù)印件）