柴油機曲軸零件機械加工工藝規(guī)程及銑扇板內(nèi)側(cè)面設(shè)計【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。  基于三維Elasto水力潤滑理論的曲軸設(shè)計 Takero Makino Toshimitsu Koga 長崎研究和發(fā)展中心，技術(shù)總部 通用機械和特種機車總部 高效率的要求造成了大量柴油機引擎曲軸的設(shè)計困難。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沖程柴油機引擎的曲軸設(shè)計上的應(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。 ⒈緒論 近一個時期以來，內(nèi)燃機的出口量有所增加，但其比重卻在下降。這是因為，軸承在惡劣的的環(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)報方法，并且使用這種方法來對MHI公司的大負(fù)載柴油機引擎進行設(shè)計和評估。 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。 這份報告介紹了這一技術(shù)在大型連桿軸承上的應(yīng)用實例和對三菱重工的四沖程柴油發(fā)動機的主要影響。 ⒉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動。三菱重工的常規(guī)EHL技術(shù)分析，計算假設(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 流量計算 至于受到波動負(fù)荷的軸承,如發(fā)動機軸承，在軸承上實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。這是主要用于檢驗三菱重工的大型船用柴油機引擎的實際尺寸的。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)計和評價的。 2.2.2 計算方法 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)進行數(shù)字計算，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，我們改進并使用了適用于油膜歷史記錄曲線的有限元運算方法的Kumar技術(shù)。圖2顯示的是流量計算。 3．個案研究 3.1連桿頭軸承 例如S3l發(fā)動機的大型連桿頭軸承，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 48mm 21mm 0.025mm 145mm 78.5mm 3600rpm 10cP 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，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。 考慮油膜歷史的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 ①直線形 ②桶形 ③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)動機框架結(jié)構(gòu)的FEM模型。 （a）曲軸負(fù)載 （b）發(fā)動機框架結(jié)構(gòu)的FEM模型 圖7 主要影響的計算情況 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 140mm 53mm 0.07mm 1800rpm 10cp 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)動機曲軸系統(tǒng)可靠性的先進技術(shù)來提出的。 為了給輕型高功率引擎的開發(fā)設(shè)計軸承，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)計系統(tǒng)化技術(shù)連接的便利性。這項開發(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，無左右縮進，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，首行縮進2字符（兩個漢字），無懸掛式縮進，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，首行縮進2字符（兩個漢字），無懸掛式縮進，段前、段后間距無，行間距為1.25倍多倍行距； 4. 強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，無首行縮進（兩個漢字）。 外文原文（復(fù)印件）