某单缸柴油机曲轴系统动态特性研究--《哈尔滨工程大学》2010年硕士论文
某单缸柴油机曲轴系统动态特性研究
【摘要】：
单缸试验机通常设计成特殊结构型式的单一气缸柴油机,它是探索新设计柴油机或改进现产品柴油机性能和结构参数的一个重要工具。要使柴油机的性能指标迅速达到预期要求,很大程度上取决于是否重视单缸机的试验研究工作。
在设计新柴油机或改进现产品柴油机过程中,用多缸机进行各项性能的调整和结构参数的比较试验,内容繁多、调整复杂、工作量大、试验周期长。如采用与多缸机同型的单缸试验机,则可简化调整过程,缩短调整周期,便于进行大量的结构参数的比较及性能调试。曲轴的设计是整机设计中的重要环节,其动力学性能分析和强度刚度计算是内燃机轴系设计必须面临的问题。本文采用有限元与柔性多体动力学相结合的方法分析研究了某燃烧实验用单缸柴油机曲轴系统的动态特性。
通过轴系的合理简化、高质量的网格划分和有限元子结构技术的应用,有效的解决了有限的人力物力资源同研发速度的矛盾。不同的设计目的对应着不同的计算方法,本单缸试验机曲轴是在原有V型机曲轴的基础上演化而来,本文的目的是为了了解评价其动态特性和强度,对单缸机特性做一些试探性的研究,为后期的优化设计打下基础。本文建立了传统质点力系分析模型和柔性多体动力学分析模型,先通过对传统模型Holzer表格法与实体模型子结构法计算得到的扭转固有频率作对比分析,验证传统模型的准确性;再通过对质点力系分析模型和柔性多体动力学分析模型计算结果的比较,分析评价了单缸机曲轴系统的主轴承受力、飞轮端转速波动、轴系自由端扭振、纵振和曲轴的动态应力等参数,对单缸机的设计有一定的参考价值;最后设计了曲轴的静力实验,通过动、静应力和实验静应力的对比,发现本单缸机曲轴的静态应力与动态应力的分布有较大区别。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：TK423【目录】：
ABSTRACT6-10
第1章 绪论10-17
1.1 引言10
1.2 国内外发展状况10-14
1.3 本文的主要研究内容、方法及意义14-17
第2章 计算理论基础17-29
2.1 有限元法及ANSYS 瞬态计算17-18
2.2 AVL-DESIGNER 传统计算方法18-22
2.2.1 AVL-Designer 软件曲轴强度计算理论18-20
2.2.2 液体动力学轴承分析20-21
2.2.3 轴系扭振21-22
2.3 非线性多体动力学基本原理22-28
2.3.1 多柔体系统动力学建模方法23-27
2.3.2 动态子结构方法27-28
2.4 本章小结28-29
第3章 模型的建立及校验29-44
3.1 DESIGNER 传统轴系分析模型29-33
3.2 曲轴轴系三维有限元模型33-36
3.3 EXCITE 多体动力学模型36-41
3.3.1 模型体单元的选择及定义37-39
3.3.2 连接体单元的定义39-41
3.4 动态应力计算模型41-43
3.5 本章小结43-44
第4章 曲轴轴系动态特性分析44-61
4.1 轴承受力及扭振分析44-51
4.1.1 扭转振动分析44-46
4.1.2 轴承受力分析46-51
4.2 曲轴运动学51-53
4.3 转速波动53-55
4.4 动态应力分析55-56
4.5 静态应力分析56-59
4.6 本章小结59-61
第5章 曲轴静态实验设计61-70
5.1 试验目的61-62
5.2 试验设备和仪器62-64
5.2.1 WAW-2000 型万能试验机62-63
5.2.2 静态电阻应变仪63-64
5.3 试验原理与方法64-67
5.3.1 测量电路64-65
5.3.2 温度效应的补偿及应变-应力的换算关系65-67
5.4 实验步骤及注意事项67-69
5.5 本章小结69-70
参考文献72-76
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果76-77
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摘要：柴油机注意事项-警惕-小常识篇：对单缸柴油机轴瓦的安装、拆装飞轮、飞轮或曲轴更换、安装正时齿轮的等等介绍说明。
单缸柴油机曲柄连杆机构的维修注意事项
（1）柴油机轴瓦的安装注意事项。安装轴瓦应认真检查轴瓦的磨损情况，若轴瓦合金有熔化、剥落、刮伤或过度磨损（合金厚度小于0.3mm），或轴瓦钢背与座孔的贴合面小于75%，应更换新瓦。轴瓦装入座孔后，轴瓦端面应高出座孔平面一定高度H，以保证轴瓦与座孔的配合具有适当的过盈量，一般H为0.05～0.10mm。若H值过小，则轴瓦接合处有缝隙，轴瓦容易松动，贴合不良，座孔磨损加剧，引起轴瓦疲劳剥落和烧熔；如H值过大，轴瓦容易产生变形，轴瓦与轴颈的正常配合遭到破坏，甚至导致烧瓦。因此，装配轴瓦时必须注意轴瓦的高度。高度过大时可锉修或用砂纸打磨；高度过小时应重新配瓦或修复座孔。注意严禁在瓦背加垫垫高轴瓦，以免影响散热和造成轴瓦松动、损坏。 连杆轴瓦主上制有“定位唇”，安装时两个定位唇分别嵌入连杆大头和连杆盖上的相应凹槽内，防止轴瓦在工作中产生转动和轴向移动。 （2）拆装飞轮注意事项。拆装飞轮如果方法不当，会使飞轮与曲轴配合出现松动，造成飞轮、曲轴及平衡轴损坏等严重后果。正确做法是； ①拆卸飞轮要用专用工具，不能强敲硬打，以免损坏飞轮；若用专用工具不能将飞轮拆下时，可将飞轮连同曲轴一起取下，用压力机将曲轴压出。 ②飞轮或曲轴更换后，应保证飞轮锥孔与曲轴的接触面积在75%以上，否则，应予以更换，以免工作中产生松动。 ③在装配前要擦净飞轮与曲轴的配合面以及平键等零件，以免接触表面混有杂质颗粒；装平键时应注意平整，若有毛刺必须剔除；飞轮螺母上紧后，再将螺母拧松取下，检查曲轴丝后端的凸肩是否低于飞轮孔端平面。如果凸肩低于飞轮孔端平面，说明飞轮已与曲轴紧固；如果凸肩与飞轮孔端平面平齐，说明飞轮与曲轴并没有上紧，此时可用一个3～5mm的厚度、内径大于曲轴端台肩直径的垫片，装上后再上紧螺母，然后将止退垫圈翻边锁紧以防止松动。 ④飞轮装上后，应检查、判断飞轮与曲轴是否松动。如果将减压手柄扳至减压位置，摇车时没有任何响声，扳回减压手柄，则发生“吭、吭”声响，说明飞轮没有上紧，应仔细检查后重新安装；柴油机工作时，如果突然增加柴油机转速，或松放离合器使柴油机卸除负荷，飞轮发出沉闷的“吭、吭”响声，而且转速变化越急，响声越大，说明飞轮与曲轴配合不紧，有松动，应仔细检查后重新安装。 （3）不能随意加大飞轮。飞轮与曲轴在柴油机出厂前都经过平衡试验，飞轮上面刻有定时角度和上、下止点等标记。如果随意加大飞轮或用其他不同型号的飞轮代替，则因飞轮质量不同，使柴油机的动平衡遭到破坏，机体振动增大，调速性能变坏。同时，采用加大飞轮，使飞轮端的曲轴主轴承负荷增大而加剧磨损。飞轮加大后，使柴油机负荷以及拖拉机转向制动机构承受的负荷也增加，当超过设计性能允许的限度时，不仅柴油机动力性、经济性变坏，还容易出现转向制动失灵等引起的事故。“十次肇事九次快”，任意加大飞轮是引起小型拖拉机不安全事故的重要原因，各地农机安全监理部门都禁止加大飞轮，实属必要。 （4）正时齿轮的拆装要求。正时齿轮的功用是保证配气机构与曲轴连杆机构的正确配合，实现配气定时。正时齿轮包括曲轴齿轮、凸轮轴齿轮、平衡轴齿轮及调速器齿轮（惰齿轮）等。正时齿轮上都打有记号，安装时切忽装错。一般情况下很少拆卸正时齿轮，如果必须拆卸维修时，必须查看正时齿轮周圈上的啮合标记，以便装配时按记号对准。如记号不清或没有记号，可用凿子将相啮合的两齿轮的轮齿刻上记号；若曲轴齿轮和凸轮轴齿轮都拆下，必须将齿轮与相关轴的位置刻上记号；调速器齿轮在卸掉卡环后，可连同衬套一起拿出。 安装正时齿轮前，应清洗零件，检查齿轮有无裂纹、断裂等损伤。组装时，一定要对准啮合记号，千万不能装错，否则，会造成配气时间、供油时间错乱，导致柴油机不能起动或震动加剧等。凸轮轴齿轮和曲轴齿轮相关轴的装配应对准记号，安装要牢固，不得松动。正时齿轮组装好以后，应检查记号是否正确，啮合是否正常。转动齿轮时应没有咬住和摆动现象，也没有较大的轴向窜动。 （5）195型柴油机凸轮轴的轴向间隙的调整。凸轮轴工作时由于受热膨胀，需留有一定的轴向间隙。但间隙过大，超过2.5mm，将引起凸轮轴轴向窜动，加剧零件磨损，而且由于凸轮轴位置的改变，将引起配气相位的变动，影响柴油机的正常工作。因此，应对凸轮轴进行轴向定位。柴油机工作时，由于零件的磨损与松动，或者正时齿轮室盖经过拆装后，均需调整凸轮轴的向间隙，以保证凸轮轴正常工作。195型柴油机凸轮轴的轴向定位，是用齿轮室盖上的止推螺钉实现的。调整时，需将止推累钉拧到底，消除轴向间隙，然后再退回约1/4圈即可。 （6）不能将柴油机曲轴箱的通气孔堵死。柴油机工作过程中，每当活塞下行时，曲轴箱内的气体（包括泄漏来的燃气）受压缩，使箱内气体压力升高，造成油底壳结合面处机油向外渗漏，并对活塞运动产生阻力。因此，柴油机曲轴箱应有通大气的通气孔。 不同型号的柴油机，曲轴箱上通气孔的位置不一样，但其工作原理相同，即单向阀作用原理。当活塞由止点向下止点移动时，曲轴箱气压增高将阀打开，使气体排出；当活塞由下止点向上止点移动时，曲轴箱气压随着空间变大而降为负压。负压使阀堵住曲轴箱与外界的通道，阻止外界的灰尘进入曲轴箱，保持润滑油的清洁，并使柴油机工作时润滑油向外渗泄的机会减少。因此，柴油机曲轴箱的通气孔应保持畅通，保证曲轴箱对外呼气。
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