动态不对中条件下耦合多间隙柴油发动机轴承的摩擦动力学

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Tribo-dynamics of coupled multi-clearance diesel engine bearings under dynamic misalignment

　　

**摘要**

曲轴倾斜改变了柴油发动机曲柄-连杆机构中的载荷传递路径，但其对具有动态演化局部对中偏差的耦合轴承间隙的影响尚不清楚。本文通过耦合多体动力学、瞬态混合润滑、凸凹接触和连杆大端轴承（CRBEB）磨损演化，建立了连杆大端轴承（CRBEB）、连杆小端轴承（CRSEB）和两侧活塞销座轴承（PPBB）的多间隙耦合摩擦动力学模型。在给定的曲轴倾斜条件下，保留连杆和活塞销的摇摆自由度，使得各接口处轴颈-轴承的局部对中偏差在工作循环中动态演化。结果表明，给定的曲轴倾斜诱导连杆-活塞销同步摇摆，并将载荷重新分配至倾斜侧PPBB。油膜压力和凸凹接触区域随曲轴转角迁移，并集中于倾斜侧端面附近。与固定姿态单间隙模型相比，具有耦合动态对中偏差的多间隙模型使CRBEB的循环最大油膜压力和凸凹接触压力分别降低了5.92%和41.12%，表明多间隙耦合和动态姿态演化为CRBEB提供了瞬态载荷缓冲效应。增大曲轴倾斜角加剧了两侧PPBB载荷不对称性、最大中对偏差强度和CRBEB凸凹接触风险，而增大CRBEB径向间隙则主要加剧凸凹接触风险。磨损仿真识别出上瓦倾斜侧端面为主要易损区域。柴油发动机磨损故障仿真试验在定性上支持了这一预测，并显示磨损条件下振动冲击更为频繁且加剧。这些发现阐明了跨接口载荷重新分配和动态中对偏差传播机制，为解读局部磨损和振动故障特征提供了机理基础。

**引言**

随着柴油机向更高功率密度的持续发展[[1], [2], [3], [4]]，曲柄-连杆机构中的关键摩擦学接口承受着日益严酷的工况条件。在高燃烧压力、制造与装配误差、支承刚度不均匀以及轴系柔性的共同作用下，曲轴容易发生倾斜[[5], [6], [7]]，进而改变连杆与活塞销组件的运动姿态和载荷传递路径。这些姿态与载荷变化进一步传递至轴承间隙，诱发连杆和活塞销的动态摇摆，以及CRBEB、CRSEB和PPBB中轴颈与轴承之间的动态中对偏差和耦合润滑响应。因此，油膜厚度、压力分布和局部接触状态呈现出复杂的非线性演化[8,9]。在这些轴承中，直接与曲轴相连的CRBEB在曲轴倾斜条件下更易受到载荷集中和局部润滑恶化的影响，可能导致磨损加剧和运行可靠性降低[[10], [11], [12]]。因此，阐明曲轴倾斜和动态局部中对偏差所引起的耦合多间隙轴承中的载荷重新分配，对于理解高功率密度柴油机曲柄-连杆系统的摩擦动力学响应和局部润滑退化具有重要意义。

作为典型的临界摩擦副，滑动轴承的润滑状态直接决定其承载能力、摩擦磨损行为和服务可靠性[[13], [14], [15], [16]]。针对发动机连杆轴承，已有研究通过考虑弹性变形、热效应和实际热边界条件，考察了小端轴承的摩擦动力学和热-润滑响应[17,18]，而针对CRBEB的研究则涉及温度演化和寿命周期磨损行为[19,20]。相关研究还通过飞溅供油、磨损保护和油孔优化等方面探索了润滑性能的改进[[21], [22], [23]]。在建模层面，滑动轴承分析从传统的动压润滑逐步扩展到包含时变粘弹性变形的瞬态混合润滑模型[24,25]、三维变形速度与磨损演化[26]，以及热-粘弹性耦合[27]。粘-超弹性材料行为也被引入柔顺性滑动轴承接口的混合润滑建模中[28]。这些进展显著提高了对单个轴承接口瞬态润滑、热和磨损响应预测的能力。然而，对于滑动轴承姿态演化与机械连接的轴承接口动态响应之间的耦合机制，仍缺乏足够的关注。

为解决轴颈-轴承姿态偏差问题，对中偏差轴承的研究已从基本特性分析（如油膜压力、承载能力和摩擦学响应）[29,30]逐步发展到纳入轴弯曲[31,32]、粘弹性变形[33]、几何缺陷[34,35]、轴承瓦偏移[36,37]和轴向运动[38,39]的耦合建模。这些研究旨在揭示姿态偏差对油膜厚度分布、压力峰值迁移、端面金属-金属接触风险及瞬态润滑稳定性的影响。代表性研究还表明，双向中对偏差可以改变滑动轴承系统的静力学、动力学和瞬态润滑特性[[40], [41], [42]]，而双向倾斜条件下的发动机轴承分析则显示出局部润滑和磨损响应的显著变化[43,44]。中对偏差与制造误差的耦合同样被证明会改变动态载荷下的瞬态润滑特性[45]。尽管取得了上述进展，轴颈与轴承之间的相对姿态通常作为预设或外部确定的条件引入。此类模型可以量化给定中对偏差状态的影响，但对于在相邻组件和润滑接口的耦合作用约束下局部中对偏差如何动态演化，其描述能力有限。

鉴于预设姿态偏差无法充分表征实际工况下中对偏差的演化，进一步的研究集中于动态载荷下轴颈-轴承姿态关系的时间变化特性。对于动态载荷下的滑动轴承，非稳态载荷、轴颈运动和轴承弹性变形可共同导致轴颈-轴承相对姿态的动态演化[46]。同时，轴颈弯曲变形和支承组件的运动也可诱发时变中对偏差，从而进一步改变系统的非线性动态响应[47,48]。这种动态中对偏差直接改变局部油膜厚度和压力分布，并诱发凸凹接触区域的迁移，进而影响轴承的瞬态润滑性能和承载稳定性。相关研究表明，在发动机主轴承[49]、风力发电机主轴滑动轴承[50,51]、倾瓦轴承[52,53]和轴隧水润滑轴承[54]等典型滑动轴承系统中，低速重载、交变载荷、启动冲击和大变形等工况可进一步放大中对偏差效应。因此，润滑响应趋于更加局部化、不均匀，并更易失稳。然而，上述大多数研究关注的是单个轴承、特定支承结构或转子-轴承系统。

因此，必须在系统多体动力学层面对柴油发动机曲柄-连杆机构中轴承的润滑状态进行分析[55]。为解决这一问题，已有研究逐步将润滑关节模型引入多体动力学框架，以阐明间隙状态、载荷演化与组件运动之间的相互作用[[56], [57], [58]]。后续研究将这些模型扩展至不均匀间隙磨损、刚柔耦合以及不同载荷和边界条件[[59], [60], [61], [62], [63]]。对于曲柄-连杆机构和内燃机，多体动力学与润滑关节的耦合求解实现了组件运动与油膜反作用力之间的双向反馈[64,65]。涉及耦合间隙、多关节机构和多物理场润滑的进一步研究已表明，间隙构型、组件柔性、磨损演化和结构-润滑相互作用可显著影响动态响应和局部摩擦学性能[[66], [67], [68], [69], [70]]。这些进展代表了从孤立轴承分析向耦合间隙系统的重要推进。

在上述进展中，对相邻润滑接口和组件姿态演化的处理方式构成了一种重要的建模差异。单间隙轴承模型[17,18]通常仅求解目标接口，因此无法充分捕获相邻润滑接口的力和力矩反馈。具有多个润滑关节的平面模型[[71], [72], [73], [74], [75], [76]]和完全浮动活塞销模型[57,58]主要描述机构的面内偏心运动和活塞销绕自身轴的旋转，因此未显式解析由连杆和活塞销横向摇摆引起的轴向油膜厚度梯度、边缘载荷集中和局部油膜力矩。现有的发动机轴承中对偏差模型[8,29]同样未将CRBEB、CRSEB和两侧PPBB的动态局部姿态纳入统一的耦合力-力矩平衡中。因此，现有模型描述了间隙相互作用和轴承姿态的不同方面，但对于曲柄-连杆系统，多接口力-力矩反馈与连杆和活塞销动态演化姿态之间的耦合仍描述不足。当曲轴倾斜导致耦合轴承接口之间载荷不对称传递时，这一区别尤为相关。代表性轴承摩擦动力学模型的建模边界总结于表1中。

综上所述，已有研究为中偏差轴承的润滑分析和发动机轴承的摩擦动力学研究奠定了重要基础。然而，在曲轴倾斜条件下，仍有三个问题需要进一步研究。首先，CRBEB、CRSEB和两侧PPBB之间的瞬态载荷与力矩传递及其对各接口承载状态的影响尚不清楚。其次，现有模型中的局部轴颈-轴承姿态通常为预设值，或忽略了连杆和活塞销横向摇摆的影响，使得难以描述四个润滑接口的动态局部中对偏差。第三，动态姿态变化引起的CRBEB边缘润滑退化与局部磨损演化之间的关系尚未得到充分认识。图1示意性地展示了本研究考虑的多间隙耦合、曲轴倾斜和组件摇摆。

为解决这些问题，与固定姿态多间隙模型、动态姿态单间隙模型以及忽略活塞销摇摆的模型相比，本研究将CRBEB、CRSEB和两侧PPBB润滑接口以及连杆和活塞销的横向摇摆自由度纳入瞬态系统级力-力矩平衡方程中。各接口的局部中对偏差状态通过组件运动与多间隙产生的润滑反作用力和力矩的耦合求解动态更新。本研究的主要贡献如下。(1) 建立了包含CRBEB、CRSEB、两侧PPBB以及连杆和活塞销摇摆运动的摩擦动力学模型，以捕获多间隙载荷传递和动态演化的轴颈-轴承中对偏差。(2) 开发了适用于强非线性耦合问题的数值求解策略，在曲轴倾斜条件下实现了多体动力学与多个润滑间隙的迭代耦合。(3) 数值评估了多间隙耦合、曲轴倾斜、CRBEB径向间隙和磨损对载荷分布、动态中对偏差和润滑响应的影响，并通过磨损观测和柴油机试验进行了定性评估。

本文其余部分组织如下。第2节建立了柴油发动机曲柄-连杆机制的多间隙耦合摩擦动力学模型，包含连杆和活塞销的摇摆自由度。第3节给出了仿真参数和数值求解流程。第4节分析了单循环多间隙响应，比较了CRBEB的不同建模策略，评估了曲轴倾斜角和CRBEB径向间隙的影响，并讨论了CRBEB的磨损演化。随后利用实验磨损形貌和振动响应来支持预测的易损区域和冲击趋势。最后，第5节总结了本研究的主要机理发现。

**节选：数学建模**

本节建立了柴油发动机中耦合多间隙轴承的摩擦动力学模型，显式考虑了连杆和活塞销的摇摆自由度。2.1节推导了多体动力学方程和广义坐标。2.2、2.3和2.4节分别建立了瞬态混合润滑模型、凸凹接触模型和动态中对偏差油膜厚度模型。2.5节介绍了CRBEB磨损模型。

**2.6 数值方法**

本节给出了所建模型的数值求解流程、模型验证和数值精度评估。3.1节描述了包含连杆和活塞销摇摆自由度的柴油发动机多间隙系统耦合摩擦动力学模型的数值流程，如图3所示。

该过程能够实现多体动力学、混合润滑、轴承力和力矩以及部件结果的强耦合求解。

结果与讨论

本节分析曲轴倾斜条件下柴油机曲柄连杆机构的摩擦动力响应。首先分析单一工作循环内多间隙耦合系统的动态响应特性（第4.1节）。其次，比较考虑仅曲柄连杆轴承与多间隙模型之间的润滑特性差异（第4.2节）。曲轴倾斜程度的影响（第4.3节）。

结论

为阐明曲轴倾斜条件下耦合轴承间隙的摩擦动力响应，本研究建立了包含曲柄连杆轴承、曲柄连杆主轴颈轴承、双侧连杆轴承以及连杆和活塞销摇摆自由度的多间隙耦合模型。基于数值模拟和实验观测，主要结论总结如下：

所提出的多间隙摩擦动力模型阐明了动态不对中和载荷的传播。

资金支持

不适用。

CRediT作者贡献声明

沈苗莲：调查研究、数据整理、概念构思、可视化、正式分析、原创草稿撰写。

高越：概念构思、正式分析、资金获取、监督、项目管理、审阅与编辑。

黄圣佳：验证、可视化、审阅与编辑。

熊国青：正式分析、可视化、原创草稿撰写。

王子嘉：调查研究、验证。

江智农：资源、监督。

毛志伟：数据。

数据可用性

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教育部发动机健康监控控制与网络化重点实验室，北京化工大学，北京 100029，中国