机体隔板与主轴承盖接触分析结果优化

应用7.2节所讨论的方法得到了典型工况下机体隔板与主轴承盖的接触应力场和接触状态。为便于对比分析，将预紧工况和爆发工况接触面上的切向正应力、接触压力、接触面上的切应力、相对滑移量和接触状态的分布云图加以对比，分别如图8.8～图8.12所示。通过对比可见，预紧工况和爆发工况相比，除接触压力以外，其他参量的分布均有明显变化。在预紧工况下接触面切向正应力基本为压应力（符号为负），当受到气体爆发作用力时，爆发缸同侧（图中为左侧，下同）接触面上的切向正应力为拉应力（符号为正），在爆发缸异侧（图中为右侧，下同）接触区边缘处沿隔板厚度方向有明显的压应力集中区域；由于螺栓预紧力的作用，接触面上接触压力分布与其他参量相比变化并不明显，但是注意到爆发缸同侧接触压力减小，爆发缸异侧接触压力增大，并且在该侧接触区边缘处沿隔板厚度方向存在明显的应力集中区；接触面的切应力（绝对值）明显增大，表明在主轴承载荷的作用下，接触面间的摩擦力显著增加；从接触面间的相对滑移量分布可见，爆发工况下，接触区的最大滑移量达到约31μm，该滑移量水平正处在微动疲劳损伤最大的范围内，同时注意到，爆发缸异侧的接触面几乎未发生相对滑移，最大滑移量出现在接触区中部靠近螺栓孔的位置，爆发工况下滑移量的分布与该侧切向正应力的分布类似（图8.8和图8.11爆发工况左侧接触区），暗示切向正应力与相对滑移量可能存在某种对应关系；从图8.12图例中“Near”表示物体的两表面处于分离（或所谓张开）的状态，“Sliding”表示两物体接触表面存在相对滑移，“Sticking”表示两物体接触表面处于黏着状态。可以看出，预紧工况下，两接触面间几乎不发生滑动，大部分区域处于黏着状态，爆发工况下，两侧接触区均出现了滑移区，爆发缸同侧靠近接触区边缘的部分甚至出现脱离接触的情况。

图8.8　预紧工况和爆发工况机体接触面切向正应力分布

（a）预紧工况；（b）爆发工况

图8.9　预紧工况和爆发工况机体接触面接触压力分布

（a）预紧工况；（b）爆发工况

图8.10　预紧工况和爆发工况机体接触面切应力分布

（a）预紧工况；（b）爆发工况

图8.11　预紧工况和爆发工况机体接触面相对滑移量分布

（a）预紧工况；（b）爆发工况

图8.12　预紧工况和爆发工况机体接触状态

（a）预紧工况；（b）爆发工况

为研究接触面上的应力分布趋势，选取接触面对称中心线上从螺栓孔到接触区边缘方向路径上各节点的应力数据，路径位置和方向如图8.13所示。该路径上各点在各缸爆发时刻的各应力分量分布如图8.14～图8.19所示。图中黑色虚线表示预紧工况下该应力的分布情况。为表述更加直观，对路径位置坐标进行了归一化处理，相对位置0表述螺栓孔边缘，相对位置1表述接触区边缘（参见图8.13）。通过对比分析可见，爆发工况和预紧工况相比，各应力分布有着显著的变化。总体上，由于V型内燃机的结构特点，异侧接触面上应力分布随爆发缸的不同分布趋势明显不同，但当该侧接触面处于爆发缸同侧或异侧（1、3缸爆发时刻为一组，2、4缸爆发时刻为一组）时，由于结构所受载荷分布相似，接触面上的应力分布趋势是大体相同的。(www.xing528.com)

图8.13　机体接触区应力分布分析路径的规定

图8.14　各缸爆发时刻左侧接触面切向正应力分布

图8.15　各缸爆发时刻左侧接触面接触压力分布

图8.16　各缸爆发时刻左侧接触面切应力分布

由图8.14和图8.17可见，当接触面处于爆发缸同侧时，接触面上的切向正应力基本为拉应力，在靠近螺栓孔和接触区边缘的位置较小，在接触区的中间位置急剧增加；当接触面处于爆发缸异侧时，切向正应力的分布与预紧工况时的分布基本相似，主要为压应力，最大值出现在接触区边缘处且最大压应力值比预紧工况有所增加。

图8.17　各缸爆发时刻右侧接触面切向正应力分布

由图8.15和图8.18可见，接触区的接触压力在螺栓孔周围变化不大，分布趋势基本相同。这是因为离螺栓孔位置越大，螺栓预紧力的作用越强烈，接触压力分布受外界载荷的影响越小。当接触面处于爆发缸同侧时，靠近接触区边缘的位置接触压力基本为零，从接触压力可以判断，该区域基本处于脱离接触的状态，图8.12也反映了这一趋势；当接触面处于爆发缸异侧时，接触区边缘处的接触压力梯度急剧增加，在接触边缘位置出现明显的应力集中区域。

由图8.16和图8.19可见，当接触区处于爆发缸同侧时，接触面的切应力峰值出现在接触区中部，在靠近接触区边缘的部分，切应力几乎为零，其变化趋势与接触压力基本相同。考虑到切应力主要由接触面间的摩擦力产生，当接触压力趋于零时，接触面间的摩擦力减小，相应的切应力也减小；当接触面处于爆发缸异侧时，接触面上的切应力（绝对值）在接触区边缘处急剧增加，其变化趋势也与接触压力相似。

图8.18　各缸爆发时刻右侧接触面接触压力分布

图8.19　各缸爆发时刻右侧接触面切应力分布