Page 189 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 施佳皓，等：耦合曲轴振动的柴油机翻边轴瓦润滑性能分析 2647

ANSYS 计算结果 本文程序计算结果 场进行差分求解得到单独径向与单独止推轴瓦的油

30
膜压力，接着基于伽辽金加权残值法进行各部分温
20 度场的有限元求解，得到油膜及轴瓦温度，至此完成
垂向位移 / μm 10 径向轴瓦与止推轴瓦热弹流混合润滑计算两部分内

容。接下来，通过热-压-流耦合连续性方程建立径向
和止推部分的耦合润滑关系，基于热连续性条件对
0
各部分油膜温度进行耦合修正，将修正后的油膜温
−10
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 度作为边界条件代入单独径向和止推轴瓦润滑模型
周期 中进行计算；接着基于流量连续性条件对各部分油
(a) 垂向位移
(a) Vertical displacement 膜压力进行耦合修正，同样将修正后的油膜压力作
1.0 为边界条件代入各部分润滑模型中，待温度场和压
0.5 力场均收敛后输出计算结果，完成单个时间步的润
水平位移 / μm −0.5 0 止推肩和轴颈的位置，进行多次迭代计算以满足工
滑计算。基于径向与止推部分的运动方程持续更新

作周期。
−1.0 本研究所建立的曲轴振动-轴瓦润滑耦合模型为

−1.5 强耦合模型，首先调用径向-止推轴瓦润滑计算模
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 块，通过假设径向-止推轴瓦与轴颈、止推肩的初始
周期
(b) 水平位移 相对位置，基于润滑模型依次计算各部分初始时刻
(b) Horizontal displacement
的油膜厚度、油膜压力与温度。在该时刻润滑计算
1.0
末尾，基于所建立的刚度阻尼模型开展准稳态计算，
获取当前时刻径向-止推轴瓦的三维时变刚度。接
轴向位移 / μm 0 着，调用曲轴纵弯振动位移计算模块，将其作为时变
0.5
支撑特性参数代入本研究建立的曲轴振动分析模型
中，计算得到径向-止推轴瓦节点处的轴向位移以及
径向位移，至此完成初始时刻曲轴振动与轴瓦润滑
−0.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 耦合计算。该过程将润滑状态转化为支撑刚度，进
周期 而影响振动位移，而计算出的位移又将作为下一时
(c) 轴向位移
(c) Axial displacement 刻润滑计算的输入，从而形成了一个完整的“润滑-

图 7 轴系振动位移验证结果 振动”双向耦合闭环，为下一时刻的迭代计算奠定了
Fig. 7 Verification results of crankshaft vibration displacement 基础。之后切换到润滑模块，通过轴颈运动方程计
算下一个时间步的轴颈位置，开展下一时刻的计算，
上通过传递矩阵法得到曲轴系统的动力学模型后，
基于曲轴振动计算得到的轴向位移计算轴向窜动速
基于 Newmark-β 法求解得到曲轴的振动特性。翻边
度；基于径向-止推轴瓦前后两节点的径向位移差计
轴瓦的润滑计算较为复杂，除常规径向轴瓦与止推 算径向-止推轴瓦的径向倾角。将上述参数与计算
轴瓦的热弹流混合润滑计算外，还需考虑热-压-流耦 得到的轴颈位置参数输入润滑模块，进行下一时刻
合连续性方程，具体计算流程如下。 的润滑计算，至此实现曲轴纵弯振动对径向-止推轴
在仿真计算前，进行了网格无关性验证，检查了 瓦润滑的作用。重复上述操作直到完成整个工作周
72×20×4、88×20×4 和 104×20×4 的网格配置（在周向、 期计算，基于轴心轨迹闭合情况判定收敛性，最终实
轴向和径向上的网格数），结果表明各网格计算值之 现曲轴纵弯振动与径向-止推轴瓦润滑的双向强耦
间的差异小于 10%，最终选择了 72×20×4 的网格分 合，计算流程如图 8 所示。

布。时间步长根据曲柄转角的转动角度划分，设置
曲柄转角每转动 0.05°为一个时间步，时间步收敛判 4 结 果 分 析
定依据设定为两个周期。首先分别单独建立径向和
止推轴瓦的热弹流混合润滑模型，根据轴颈和径向 除本研究构建的双向耦合振动-润滑模型（CVL
轴瓦、止推肩和止推轴瓦的相对位置计算径向与止 模型）外，分析中还加入了仅考虑振动对润滑影响的
推部分的油膜厚度，基于迎风差分法对各部分压力 常规模型（SVL 模型）。在 SVL 模型中，输入固定刚