车辆发动机载荷谱研究现状及应用

1.曲柄连杆机构疲劳载荷谱研究现状

曲柄连杆机构是往复活塞式发动机中能量转换的核心机构，承担着把活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动从而输出扭矩的任务。在发动机工作过程中，曲柄连杆机构受力十分复杂，如周期性变化的气体压力、活塞与连杆的往复惯性力、曲轴的旋转离心力等。随着现代发动机功率密度的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件愈加苛刻，曲轴组、连杆组和活塞组的疲劳寿命在很大程度上决定了发动机的可靠性和寿命。因此，对曲柄连杆机构进行强度校核和疲劳寿命计算，已成为发动机可靠性设计和试验的核心步骤。

国内学者对曲柄连杆机构的疲劳强度进行了大量研究，主要采用多柔体动力学结合有限元法和模态叠加法对曲柄连杆机构的疲劳强度进行计算，针对不同的机型实现了构件危险点位置与寿命预测，获得了曲轴、连杆和活塞的疲劳极限，为曲柄连杆机构的优化设计提供了参考。例如，2007年中国船舶重工集团公司针对影响曲轴疲劳寿命的众多复杂因素及准确估计曲轴疲劳寿命难度大的问题，以某型柴油机组成的动力装置为原始模型，建立三维有限元模态分析模型计算了柴油机曲轴的动态应力，并应用动应力载荷谱疲劳计算方法分析了曲轴疲劳寿命；2009年，河北工业大学对479Q发动机曲柄连杆机构进行三维实体建模，利用多体动力学仿真软件进行动力学分析，计算出各构件在任意时刻、任意位置的动力学特性（位移、速度、加速度等），得到了发动机工作过程中的动态载荷，并运用有限元分析方法进行了应力、变形分析，采用金属疲劳理论计算了构件的疲劳寿命。

2.缸套部件磨损谱研究现状

部件磨损是发动机性能恶化的主要原因之一。在众多磨损部件中，缸套活塞环摩擦副作为发动机中最重要、最关键的摩擦副之一，工作时受到极大的燃气压力、惯性力、侧向力及摩擦力的复合作用，其磨损程度是决定发动机大修周期的重要因素。

缸套活塞环磨损计算最初仅作为滑动摩擦副的个例，包含于后者的磨损模型研究领域中。19世纪30年代，德国人Tonn建立起滑动磨损量的计算公式，重点研究了磨损和材料某些机械特性之间的关系。

20世纪50年代，德国人Holm、美国人Burwell等在磨损预测领域进行了大量工作，提出了一些近代磨损仿真理论。1953年，英国莱斯特大学的Archard在前人工作的基础上，提出基于三点假设的黏着磨损模型，即Archard－Holm模型。(www.xing528.com)

随着实用高效的仿真技术的发展，人们将其应用扩大至摩擦面接触分析、寿命预测、优化设计等领域，大大缩短了试验周期，降低了成本。AVL公司的EXCITE PISTON＆RINGS是发动机缸套活塞摩擦副设计专用的多体动力学软件，可以进行活塞动力学分析、计算活塞－缸套、活塞－活塞环之间的弹性接触力、进行活塞环组的动力学分析、获得油膜分布情况、活塞/环/缸套间的磨损情况分析，找到磨损较严重的区域及确定优化方向，但是该软件目前只能针对发动机稳定工况进行摩擦磨损计算。

3.增压器载荷谱研究现状

20世纪50年代初，涡轮增压技术进入车用领域。20世纪60年代，国外开始在车用发动机上大量采用涡轮增压技术。增压器转速高达每分钟几万转（甚至每分钟二十多万转），因此确保其可靠性是一项十分艰巨的任务。增压器可靠性的关键在于转子系统的工作稳定性和叶轮叶片的疲劳强度，国内外学者针对增压器可靠性问题进行了许多研究。国外主要增压器生产厂家都已拥有先进的CAD/CAM和CAT系统，利用计算机进行径流涡轮、离心式压气机叶轮的空气动力学与三元流场分析、叶轮及叶型设计和强度分析等工作，并采用有限单元法（FEM）和先进的激光测试技术来进行三维黏性流动的建模和验证分析。国内研究人员主要采用有限元的方法对增压器叶轮进行了强度计算和分析，并就强度分析中的关键步骤和技术难点进行了讨论，计算并分析了气动载荷和温度场对压气机叶轮应力的影响，建立了车用增压器压气机叶轮强度分析的过程和方法。

陆军装甲兵学院在国防科技重点实验室基金项目“装甲车辆柴油机涡轮增压器疲劳载荷编谱方法研究”中，针对增压器载荷参数实车测试传感器布置困难、试验周期长、试验费用高等问题，综合应用理论分析、仿真和试验手段，研究了废气涡轮增压器在装甲车辆典型任务剖面下的动态响应过程，编制了增压器转速试验谱。

发动机关重件疲劳寿命计算和缸套活塞环磨损分析通常是针对发动机某一特定危险工况，计算一个工作循环的应力－时间历程或磨损量，以此确定关重件疲劳损伤与磨损规律。但是发动机在实际使用中，受路面状况、驾驶员操作等因素的影响，绝大部分时间是变工况运行，而关重件的应力大小和磨损程度与发动机工况变化直接相关，因此有必要深入研究发动机变工况运行时各关重件的疲劳损伤和磨损规律。