一种发动机主轴承的磨损型线修正方法及装置与流程

本发明属于发动机轴承动力技术领域，更具体地，涉及一种发动机主轴承的磨损型线修正方法及装置。

背景技术：

主轴承是将内燃机活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动的主要承载零部件，同时也是内燃机工作过程中的重要摩擦副。在实际工作中，由于轴颈倾斜、变形及轴承表面形貌效应等因素的作用，轴承边缘磨损，这严重恶化了主轴承的润滑情况，缩短主轴承的使用寿命，直接影响内燃机可靠性与耐久性。

主轴承结构形式特殊，工作中承受气体爆发压力和活塞连杆组惯性力等周期性变化的动载荷作用，同时承受高速、高压、高温以及机油变质等恶劣的工作条件，主轴承润滑不良会导致振动恶化，主轴承的振动又作为激励源引起整机的附加振动，从而导致整机振动噪声特性恶化，严重时可能发生整机功率下降，甚至可能导致曲轴断裂。可见，曲轴主轴承弹性动力润滑的响应状况是影响内燃机可靠性与耐久性、整机振动、噪声水平的关键因素。

目前，主轴承弹性液体动力润滑的仿真是通过分析粗糙接触压力、平均热载、最小油膜厚度等参数，判断主轴承的润滑情况。若仿真结果显示主轴承发生偏磨，边缘热载过高，则判定主轴承存在过度磨损、烧瓦的风险，可靠耐久性能不满足设计开发目标。

参考专利申请cn107665286a，公开了一种发动机轴承动力学分析方法，首先确定发动机及连杆组件相关三维数据，统计发动机结果信息以及连杆系零部件的相关信息，选取ehd专用模块，建立发动机轴承动力学分析模型，对模型进行网格划分并进行缩减，利用缩减后的发动机动力学模块，exb动力学文件进行动力学仿真，从仿真结果中得到特定工况下的轴承的油膜、机油等结果，对其结果进行评价，如不满足要求，则对发动机轴承座结构、轴承的结构及参数进行优化，再重新分析。

但现有主轴承的弹性动力润滑仿真分析，并未考虑到在发动机的实际运转过程中，主轴承与主轴颈之间存在磨合过程，且在磨合过程中，主轴承会产生一定的磨损量，这就容易造成对主轴承可靠耐久性能评价的误判。误判后，主轴承则需要重新选型，主要手段是主轴承材料升级或加厚，或优化主轴承的结构参数，包括主轴承宽度、直径、油孔、油槽等。主轴承的材料升级或加厚，则会导致零件成本增加并导致主轴承布置困难等问题；优化主轴承的结构参数，则会延长主轴承设计及验证的周期，造成开发资源浪费。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种发动机主轴承的磨损型线修正方法及装置，基于主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格，建立主轴承的磨损型线，模拟主轴承磨合后所达到的一个稳态，更加符合主轴承的实际工作状态，从而提高主轴承弹性液体动力润滑分析的仿真精度，降低主轴承可靠耐久性能的误判率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种发动机主轴承的磨损型线修正方法，包括：

s1：建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型，对主轴承的弹性液体动力润滑情况进行仿真分析；

s2：基于主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格，对主轴承的设计型线进行修正，建立主轴承的磨损型线，以模拟主轴承磨合后所达到的一个稳态；

s3：利用主轴承的磨损型线对主轴承的弹性液体动力润滑分析模型进行优化分析。

在一些可选的实施方案中，步骤s1包括：

s1.1：建立动力总成的有限元模型，其中，主轴承采用一阶六面体网格，厚度方向均匀布置若干层网格；周向网格节点均匀分布；轴向网格节点不均匀分布且关于主轴承宽度方向呈中心对称，从主轴承中心到两侧，网格长度依次递减；

s1.2：基于动力总成的有限元模型，完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界条件的定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；

s1.3：基于动力总成的多体动力学模型，设定主轴承的结构参数、材料属性参数，设定供油边界条件，设定机油的物性参数，完成主轴承的模块化建模，并导入主轴承参数化的设计型线，建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型。

在一些可选的实施方案中，步骤s2包括：

s2.1：分析主轴承弹性液体动力润滑的仿真结果，初步判断主轴承的润滑状况；

s2.2：基于主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格，确定主轴承的磨损区域；

s2.3：基于主轴承的设计型线，依据主轴承可靠耐久性能的评价限值要求，在主轴承的磨损区域，设定许用范围内的磨损量，建立主轴承的磨损型线。

在一些可选的实施方案中，步骤s2.2包括：

s2.21：以主轴承的弹性液体动力润滑分析模型中的主轴承有限元网格为基础，进行均匀差分，得到网格密度增大且均匀分布的主轴承有限差分网格，需保证主轴承有限差分网格的轴向节点数量是主轴承有限元网格的n倍+1；同样，保证主轴承有限差分网格的周向节点数量是主轴承有限元网格的n倍+1，n为自然数；

s2.22：获取主轴承有限差分网格的轴向网格的基础尺寸及节点个数，周向的网格节点个数及周向的一个基础网格所对应的角度；

s2.23：结合主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，确定主轴承发生边缘磨损的周向角度范围，在此周向角度范围内，选择最靠近发生边缘磨损位置且满足目标关系的角度，设置为主轴承的周向磨损位置，其中，目标关系为周向的一个基础网格所对应角度×l，l为自然数；

s2.24：在轴向设置一个位置表示主轴承停止磨损的位置，该位置必须与主轴承有限差分网格的轴向节点重合，设置为主轴承的轴向停止磨损位置，将主轴承的周向磨损位置与轴向停止磨损的位置作为主轴承的磨损区域。

在一些可选的实施方案中，步骤s2.22包括：

由naxial＝6n+1确定主轴承有限差分网格的轴向的节点个数naxial，由确定主轴承有限差分网格的轴向网格的基础尺寸laxial，由ncircle＝*n确定主轴承有限差分网格的周向的节点个数ncircle，由确定主轴承有限差分网格周向的一个基础网格所对应的角度acircle，n为自然数，b为主轴承宽度，*为主轴承有限元网格的周向网格数。

在一些可选的实施方案中，步骤s2.24包括：

由x＝laxial·m确定主轴承的轴向停止磨损的位置x，m为1至naxial间的整数。

按照本发明的另一方面，提供了一种发动机主轴承的磨损型线修正装置，包括：

模型构建模块，用于建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型，对主轴承的弹性液体动力润滑情况进行仿真分析；

修正模块，用于基于主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格，对主轴承的设计型线进行修正，建立主轴承的磨损型线，以模拟主轴承磨合后所达到的一个稳态；

优化分析模块，用于利用主轴承的磨损型线对主轴承的弹性液体动力润滑分析模型进行优化分析。

按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供一种发动机主轴承弹性液体动力润滑仿真的分析思路，考虑了在发动机实际运转过程中，主轴承与主轴颈之间的磨合过程。利用主轴承的磨损型线对主轴承弹性液体动力润滑仿真模型进行优化分析，降低主轴承可靠耐久性能的误判率，提高主轴承的开发效率、降低零件成本，优化主轴承布置边界。

本发明提供了一种用于发动机主轴承弹性液体动力润滑仿真分析的磨损型线修正方法，利用有限差分网格，建立主轴承的磨损型线，模拟主轴承磨合后所达到的一个稳态，更加符合主轴承的实际工作状态，提高主轴承弹性液体动力润滑分析的仿真精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种发动机主轴承的磨损型线修正方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种发动机主轴承的磨损型线修正方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种主轴承的有限元网格示意图；

图4是本发明实施例提供的一种主轴承的设计型线示意图；

图5是本发明实施例提供的一种优化前主轴承的峰值粗糙接触压力变化曲线示意图；

图6是本发明实施例提供的一种优化前主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图示意图；

图7是本发明实施例提供的一种优化前主轴承的平均热载分布云图示意图；

图8是本发明实施例提供的一种主轴承的磨损型线修正示意图；

图9是本发明实施例提供的一种优化前、后主轴承的峰值粗糙接触压力变化曲线的对比示意图；

图10是本发明实施例提供的一种优化前、后主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图的对比示意图；

图11是本发明实施例提供的一种优化前、后主轴承的平均热载图分布云图的对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示是本发明实施例提供的一种发动机主轴承的磨损型线修正方法的流程示意图，包括以下步骤：

s1：建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型，对主轴承的弹性液体动力润滑情况进行仿真分析；

s2：基于主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格，对主轴承的设计型线进行修正，建立主轴承的磨损型线(wornprofile)，以模拟主轴承磨合后所达到的一个稳态；

s3：利用主轴承的磨损型线对主轴承的弹性液体动力润滑分析模型进行优化分析。

以图2所示的发动机曲轴主轴承弹性液体动力润滑分析的磨损型线修正方法的流程示意图对各步骤实现方式进行详细说明。

在本发明实施例中，步骤s1可以通过以下方式实现：

s1.1：建立动力总成的有限元模型，其中，主轴承采用一阶六面体网格，厚度方向一般均匀布置若干层(如2～3层)网格；周向网格节点均匀分布，一般为40/60个网格；轴向网格节点不均匀分布且关于主轴承宽度方向呈中心对称，从主轴承中心到两侧，网格长度依次递减，优选地，网格长度依次为b/4、b/6、b/12，其中，b为主轴承宽度，如图3所示；

s1.2：基于动力总成的有限元模型，完成柔性体单元的模块化建模，完成连接单元的参数化建模，完成动力学全局参数及载荷边界定义，利用缩减子结构，建立动力总成的多体动力学模型；

s1.3：基于动力总成的多体动力学模型，设定主轴承的宽度、直径、轴承间隙、油孔、油槽等结构参数、设定主轴承的表面粗糙度、弹性模量、泊松比等材料属性参数，设定供油边界条件，设定机油的粘度、密度、比热容等物性参数，完成主轴承的模块化建模，并导入主轴承参数化的设计型线，建立主轴承弹性液体动力润滑分析模型；

在本发明实施例中，进一步地，步骤s1.3中主轴承参数化的设计型线可以通过以下方式实现：

现代发动机广泛采用径向变壁厚的轴瓦，以适应轴颈变形，增加轴瓦在承载区的几何间隙，有利于机油分布，避免发生边缘磨损，保证主轴承具有良好的润滑性能。主轴承参数化的设计型线是依据主轴承零件检测单得到的轴瓦壁厚减薄量，利用曲线线性差分法，计算得到轴瓦周向截面的角度-相对壁厚的变化曲线，如图4所示。主轴承的设计型线并未考虑在发动机实际运转过程中，主轴承与主轴颈的磨合过程。

在本发明实施例中，步骤s2可以通过以下方式实现：

s2.1：分析主轴承弹性液体动力润滑的仿真结果，初步判断主轴承的润滑状况；

s2.2：基于主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格确定主轴承的磨损区域；

s2.3：基于主轴承的设计型线，依据主轴承可靠性的评价限值要求，在主轴承的磨损区域，设定许用范围内的磨损量，建立主轴承的磨损型线。

在本发明实施例中，步骤s2.1可以通过以下方式实现：

峰值粗糙接触压力是评价主轴承是否过度磨损的重要参数，平均热载是评价主轴承是否烧瓦、爆死的重要参数。主轴承弹性液体动力润滑仿真分析结果的评价限值见表1。

表1主轴承弹性液体动力润滑仿真分析结果的评价限值

基于主轴承弹性液体动力润滑仿真分析模型，以动力总成特征工况额定转速为例，对某直列四缸发动机的主轴承弹性液体动力润滑进行仿真分析。主轴承的峰值粗糙接触压力变化曲线(如图5所示)的仿真结果显示，主轴承峰值粗糙接触压力过高，超过评价限值。主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图(如图6所示)的仿真结果显示，主轴承边缘磨损严重，峰值粗糙接触压力超过评价限值，其中，在图6中，(a)表示第一主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(b)表示第二主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(c)表示第三主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(d)表示第四主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，(e)表示第五主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图。主轴承的平均热载分布云图(如图7所示)的仿真结果显示，主轴承边缘热载过高，容易发生咬粘，烧瓦，其中，在图7中，(a)表示第一主轴承的平均热载分布云图，(b)表示第二主轴承的平均热载分布云图，(c)表示第三主轴承的平均热载分布云图，(d)表示第四主轴承的平均热载分布云图，(e)表示第五主轴承的平均热载分布云图。

结合图5、6、7仿真结果可知，主轴承润滑状况不良，发生偏磨，峰值粗糙接触压力及平均热载超过评价限值，主轴承存在过度磨损、烧瓦的风险，这将影响主轴承的可靠耐久性能，缩短主轴承的使用寿命，需要进一步地优化分析。

在本发明实施例中，步骤s2.2可以通过以下方式实现：

s2.21：以主轴承的弹性液体动力润滑分析模型中的主轴承有限元网格为基础，进行均匀差分，得到网格密度增大且均匀分布的主轴承有限差分网格，需保证主轴承有限差分网格的轴向节点数量是主轴承有限元网格的n倍+1；同样的，保证主轴承有限差分网格的周向节点数量是主轴承有限元网格的n倍+1，以确保计算精度，n为自然数；

s2.22：获取主轴承有限差分网格的轴向网格的基础尺寸及节点个数、周向的网格节点个数及周向的一个基础网格所对应的角度；

进一步地，由naxial＝6n+1确定主轴承有限差分网格的轴向的节点个数naxial，由确定主轴承有限差分网格的轴向网格的基础尺寸laxial，由ncircle＝*n确定主轴承有限差分网格的周向的节点个数ncircle，由确定主轴承有限差分网格周向的一个基础网格所对应的角度acircle，n为自然数，b为主轴承宽度，*为主轴承有限元网格的周向网格数；

s2.23：结合主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图，确定主轴承发生边缘磨损的周向角度范围(如图6中所示，第一主轴承在0～90deg/180～225deg/290～300deg范围内发生边缘磨损，第二主轴承在110～225deg范围内发生边缘磨损，第三主轴承在135～205deg范围内发生边缘磨损，第四主轴承在135～225deg范围内发生磨损，第五主轴承135～205范围内发生边缘磨损)，在此周向角度范围内，选择最靠近发生边缘磨损位置且满足目标关系的角度，设置为周向磨损位置，其中，目标关系为周向的一个基础网格所对应角度×l，l为自然数；

s2.24：在轴向设置一个位置表示主轴承停止磨损的位置，该位置必须与主轴承有限差分网格的轴向节点重合，设置为轴向磨损位置，将主轴承周向磨损位置与轴向停止磨损的位置作为主轴承的磨损区域。

进一步地，由x＝laxial·m确定主轴承轴向停止磨损的位置x，m为1至naxial间的整数。

至此，完成主轴承磨损区域的设置。

在本发明实施例中，步骤s2.3可以通过以下方式实现：

s2.3：基于主轴承的设计型线，参考主轴承可靠性的评价限值要求，在主轴承的磨损区域，设定许用范围内的磨损量，相当于此磨损区域内轴瓦壁厚的减薄量增加，原则上主轴承的磨损量不超过5微米，据此建立主轴承的磨损型线，如图8所示。其中，在图8中，(a)表示第一主轴承的磨损型线修正示意图，(b)表示第二主轴承的磨损型线修正示意图，(c)表示第三主轴承的磨损型线修正示意图，(d)表示第四主轴承的磨损型线修正示意图，(e)表示第五主轴承的磨损型线修正示意图。

在本发明实施例中，步骤s3可以通过以下方式实现：

s3：利用主轴承的磨损型线对主轴承的弹性液体动力润滑分析模型进行优化分析。

如图9所示是本发明实施例提供的一种优化前、后主轴承的峰值粗糙接触压力变化曲线的对比图，在图9(a)-(e)中，左图表示优化前的仿真结果，右图表示优化后的仿真结果，其中，(a)表示优化前、后第一主轴承的峰值粗糙接触压力的对比，(b)表示优化前、后第二主轴承的峰值粗糙接触压力的对比，(c)表示优化前、后第三主轴承的峰值粗糙接触压力的对比，(d)表示优化前、后第四主轴承的峰值粗糙接触压力的对比，(e)表示优化前、后第五主轴承的峰值粗糙接触压力的对比；如图10所示是本发明实施例提供的一种优化前、后主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图的对比，在图10(a)-(e)中，左图表示优化前的仿真结果，右图表示优化后的仿真结果，其中，(a)表示优化前、后第一主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图的对比，(b)表示优化前、后第二主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图的对比，(c)表示优化前、后第三主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图的对比，(d)表示优化前、后第四主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图的对比，(e)表示优化前、后第五主轴承的峰值粗糙接触压力分布云图的对比；如图11所示是本发明实施例提供的一种优化前、后主轴承的平均热载图分布云图的对比图，在图11(a)-(e)中，左图表示优化前的仿真结果，右图表示优化后的仿真结果，其中(a)表示优化前、后第一主轴承的平均热载分布云图的对比，(b)表示优化前、后第二主轴承的平均热载分布云图的对比，(c)表示优化前、后第三主轴承的平均热载分布云图的对比，(d)表示优化前、后第四主轴承的平均热载分布云图的对比，(e)表示优化前、后第五主轴承的平均热载分布云图的对比。在图9、10、11中，优化前表示基于设计型线的主轴承弹性液体动力润滑的仿真结果，优化后表示基于磨损型线的主轴承弹性液体动力润滑的仿真结果。

结合图9、10、11中优化前的仿真结果可知，优化前主轴承润滑状况不良，发生偏磨，峰值粗糙接触压力及平均热载超过评价限值，主轴承存在过度磨损、烧瓦的风险，不满足设计开发目标。但考虑到在发动机的实际运转过程中，主轴承与主轴颈存在磨合过程，且在磨合过程中，主轴承会产生一定的磨损量，且磨损量在许用范围内并不会影响到主轴承的可靠耐久性能。因此，对主轴承的设计型线进行了修正，建立主轴承的磨损型线，利用主轴承的磨损型线，对主轴承弹性液体动力润滑分析模型进行优化分析，结合图9、10、11中优化后的仿真结果可知，优化后主轴承的润滑状况明显，峰值粗糙接触压力及平均热载均满足评价限值，不存在过度磨损、烧瓦的风险，满足设计开发目标。可见，利用磨损型线对主轴承的弹性液体润滑分析模型进行优化及对比分析，降低了主轴承可靠耐久性能的误判率，提高主轴承弹性液体动力润滑仿真分析精度。

本申请还提供了一种发动机主轴承的磨损型线修正装置，包括：

模型构建模块，用于建立主轴承的弹性液体动力润滑分析模型，对主轴承的弹性液体动力润滑情况进行仿真分析；

修正模块，用于基于主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格，对主轴承的设计型线进行修正，建立主轴承的磨损型线，以模拟主轴承磨合后所达到的一个稳态；

优化分析模块，用于利用主轴承的磨损型线对主轴承的弹性液体动力润滑分析模型进行优化分析。

其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现方法实施例中的发动机主轴承的磨损型线修正方法。

本发明通过以上方案，考虑了在发动机的实际运转过程中，主轴承与主轴颈的磨合过程，结合主轴承的弹性液体动力润滑仿真分析结果，对主轴承的设计型线进行修正，建立主轴承的磨损型线，利用主轴承的磨损型线对主轴承的弹性液体动力润滑分析模型进行优化分析，降低主轴承可靠耐久性能的误判率，提高主轴承的开发效率、降低零件成本，优化主轴承布置边界。本发明结合弹性动力润滑仿真分析结果，利用有限差分网格确定主轴承的磨损区域，依据主轴承可靠性的评价限值要求，在主轴承的磨损区域，设定许用范围内的磨损量，建立主轴承的磨损型线。基于主轴承的磨损型线的弹性液体动力润滑仿真分析，模拟主轴承磨合后所达到的一个稳态，更加符合主轴承的实际工作状态，提高主轴承弹性液体动力润滑分析的仿真精度。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。