Abaqus 在发动机主轴承座可靠性-动力学联合仿真中的应用

寂静回声

重庆长安汽车股份有限公司 动力研究院


发动机主轴承座承受了由曲柄连杆机构传递来的强大气体燃烧爆发压力，此外还包括螺栓预紧力、轴瓦过盈装配载荷和温度载荷等，这对主轴承座的可靠性提出了很高的要求。

在某直列四缸发动机开发项目中，对主轴承座进行了可靠性-动力学联合仿真，将EHD(Elasto hydrodynamic 弹 性流体动力学)分析得到的主轴承受力结果映射到FEA (Finite element analysis 有限元分析) 模型，采用Abaqus软件进 行求解及结果后处理，从结构应力、HCF(High cycle fatigue 高周疲劳)、主轴承接触面压力、主轴承接触面张开量、主轴承接触面滑移量、轴瓦背压、轴瓦切向应力、螺栓轴力变化等方面，考察该主轴承座的可靠性。







本次分析共包含三个计算主文件：


1)、最大螺栓预紧力+最大轴瓦装配参数+温度载荷+6000rpm下主轴承受力，用以评价结构应力、HCF、主轴承接触面压力和轴瓦切向应力;
2)、最小螺栓预紧力+最大轴瓦装配参数+温度载荷+6000rpm 下主轴承受力，用以评价主轴承接触面张开量、主 轴承接触面滑移量和螺栓轴力变化;
3)、最小螺栓预紧力+最小轴瓦装配参数+温度载荷+6000rpm 下主轴承受力，用以评价轴瓦背压。

在各工况下，曲轴箱、主轴承座和镶块的应力均不应超过材料的屈服强度。实际上由于约束和螺栓预紧力等因素影响，其附近区域应力不真实，不予考虑。而对于远离上述区域的应力，根据圣维南原理，基本不受影响。图7展示了某工况下曲轴箱、主轴承座和镶块的应力云图。

发动机正常工作中，各缸按一定顺序循环工作，产生的气体爆发压力也通过曲柄连杆机构循环地施加在主轴承 座上。该循环在发动机设计寿命中次数较高(大于 104 次)，称为高周疲劳(HCF)，在主轴承座的设计中应对其高周疲劳进行相关分析。


HCF 分析中往往会应用到 Haigh 图，表示对于任一给定寿命，应力幅 Sa 和平均应力 Sm 关系曲线的无量纲形式。图8展示了疲劳分析软件 FEMFAT 自带材料库中 AlSi9Cu3(曲轴箱、主轴承座)和球铁(镶块)的 Haigh 图。在有条件的情况下，应选择发动机产品的材料，取样并进行相关疲劳参数的测试，用于 HCF 分析。


在发动机正常工作中，主轴承座应该与曲轴箱始终保持较好的接触，且接触压力不应过大，避免材料破坏。对于本文中平底式曲轴箱，可通过考察镶块与曲轴箱接触面的接触压力(CPRESS)、张开量(COPEN)和滑移量(CSLIP) 来判断两者接触情况。对于龙门式曲轴箱，可考察轴承盖与曲轴箱的接触面。图10展示了镶块-曲轴箱接触面的各分析结果。




结论
1)、EHD 分析得到的主轴承座受力结果具有更好的精度，建议采用;
2)、主轴承座的受力情况非常复杂，且可靠性要求较高，需要从多工况、多角度来分析其机械性能。