内燃机主轴承座的强度分析

作者利用ABAQUS软件对内燃机主轴承座进行强度分析，用大量的图例说明其计算结果，并得出了相应的结论。其中涉及的零件有缸体、框架、主轴承座螺栓、框架螺栓、轴瓦和曲轴轴颈，涉及的工况包括螺栓装配载荷工况、轴瓦装配载荷工况和动轴瓦载荷工况，有一定的实际意义。

一、序言

为了保证发动机主轴承座设计的可靠性，需要对主轴承座进行强度分析。主轴承座的计算模型由两缸中间截面之间的部分组成，具体的零件有缸体、框架、主轴承座螺栓、框架螺栓、轴瓦和曲轴轴颈，如图1所示。

图1 整体坐标系

二、有限元模型的建立

1.整体坐标系的定义

整体坐标系，即采用右手法则的直角坐标系，如上文中图1所示。坐标系的中心在曲轴的中心，X轴的方向与曲轴同向，Y轴在发动机的侧向，Z轴与气缸同向。

2.主轴承座有限元模型

主轴承座有限元模型的建立采用前处理软件HyperMesh和Patran完成，再用ABAQUS软件进行求解。所用单元均为二阶的10节点四面体单元，如表1所示。

表 1 各零件单元数和节点数

表1为汽车发动机主轴承座所需的零件、单元数（二阶四面体）和节点数。

3.材料数据

各零件的材料数据，如表2所示。

表2 各零件的材料数据

三、边界条件和载荷

本文对发动机的3个载荷工况进行了计算和分析，即螺栓装配载荷工况、轴瓦装配载荷工况和动轴瓦载荷工况。

1.通用边界条件的处理

如图2所示，在两对称面A、B上施加对称边界条件，即所有节点X＝0。

图2 对称边界条件

2.螺栓装配载荷工况

零件：框架、缸体、主轴承座螺栓和框架螺栓。
具体的边界条件，如图3所示。

图3 螺栓装配载荷工况边界条件的处理

3.轴瓦装配载荷工况

零件：框架、缸体、主轴承座螺栓、框架螺栓和轴瓦。
具体的边界条件，如图4所示。

图4 轴瓦装配载荷工况边界条件的处理

4.动轴瓦载荷工况

零件：框架、缸体、主轴承座螺栓、框架螺栓、轴瓦和曲轴。
具体边界条件，如图5所示。

图5 动轴瓦载荷工况边界条件处理

四、结果分析

在前处理软件中将边界条件及材料特性等定义好之后，产生INPUT文件，再用ABAQUS软件求解，将求解结果再调入前处理软件中进行结果后处理，其中的接触求解为非线性稳态求解。

1.变形结果

主轴承座的整体变形，变形值都比较小，都是可接受的，如图6～图13所示。

图6 螺栓预紧力最大时的整体变形量

图7 螺栓预紧力最大时变形最大的位置

螺栓预紧力分别为45.5kN及43kN的工况下，变形最大值都出现在螺栓头和框架接触处，最大值分别为0.0453mm及0.0429mm，变形值较小，是可接受的。

图8 整体变形量（轴瓦过盈量为66μm）

图9 变形最大的位置(轴瓦过盈量为66μm)

轴瓦过盈量为66μm时，变形最大值出现在下轴瓦和框架接触处，最大值为0.00877mm，变形值非常小。

图10 爆压为70bar时的整体变形量

图11 变形最大的位置

变形最大值出现在框架中部，最大值为0.0282mm，变形值较小。

图12 动轴瓦载荷工况下轴瓦孔在Y向变形

图13 动轴瓦载荷工况下轴瓦孔在Z向变形

轴瓦孔的变形会影响到最小油膜厚度，因此对它的变形估算很重要。对螺栓装配载荷工况引起的变形可以不予考虑，因为在装配螺栓后要对轴瓦孔进行机加工，变形被排除。对轴瓦进行装配引起的变形在各方向基本均匀，因此不作重点考虑。对动轴瓦载荷工况引起的变形，轴瓦孔在Y向的变形是3.47μm，在Z向是 25.5μm，轴承间隙是40μm，变形远小于间隙，可以保证最小油膜厚度，如下文中图17、图18所示。

2.应力结果

如图14～图16所示，为螺栓预紧力等于45.5KN时框架和缸体的应力（Von Mises stress）分布。

图14 框架和缸体的整体应力分布

图15 框架局部应力分布

图16 框架局部应力分布

如图17～图19所示，为螺栓预紧力等于43KN时框架和缸体的应力（Von Mises stress）分布。

图17 框架和缸体的整体应力分布

图18 框架局部应力分布

图19 框架局部应力分布

如上文中图14～图19所示，在框架与缸体之间以及螺栓与框架缸体接触面上压应力很大，这是由于计算是按照材料的弹性假设进行的，没有考虑材料的塑性变形，因此应力值很大，但不会引起失效。

如图15、图18和图16、图19所示，A处和B处应力值大于250MPa，超过了材料的强度极限，因此建议加大这两处的R值，以降低应力集中。在框架和缸体的其余部位，应力值都小于材料的强度极限250MPa，因此在此工况下强度满足要求。

如图20～图22所示，为轴瓦过盈量等于66μm框架和缸体的应力（Von Mises stress）分布。

图20 框架和缸体的整体应力分布

图21 框架和缸体局部应力分布

图22 框架和缸体局部应力分布

如图21所示，过盈量为66μm时应力最大值出现在缸体部分的油道孔处，应力值为165MPa，小于材料强度极限250MPa，满足要求。但是，还是建议此处的尖边增加倒圆，以降低应力集中。
如图23～图25所示，为爆压等于70bar时框架和缸体的应力（Von Mises stress）分布。

图23 框架和缸体的整体应力分布

图24 框架和缸体局部应力分布

图25 框架和缸体局部应力分布

如图23～图25所示，应力最大值出现在缸体与框架接触的区域，其值为102MPa，小于材料强度极限250 MPa。

3.轴瓦的背压

轴瓦装配载荷工况下轴瓦的背压分布，如图26所示。

图26 过盈量为66μm时轴瓦的背压

如图26所示，轴瓦大部分区域的背压为12MPa～21MPa，这个压力已经足够阻止轴瓦与框架及缸体之间的相对移动。

五、结论

通过分析可得出以下结论。

1.如图15、图18和图16、图19所示，A处和B处应力值大于250MPa，超过了材料的强度极限，因此建议加大这两处的R值，以降低应力集中。

2.根据上述分析，框架和缸体的应力值在各工况下都小于材料的强度极限，满足静强度要求。

3.轴瓦孔的变形满足要求。