[发明专利]一种考虑结构振动的船用凸轮-挺柱副弹流润滑分析方法

权利要求书

1.一种考虑结构振动的船用凸轮-挺柱副弹流润滑分析方法，其特征是：

(1)建立配气机构单质量动力学模型，将挺柱、摇臂及气阀简化为集中质量，推导动力学微分方程，考虑初始弹簧力及燃气作用力，并利用龙格-库塔法对方程进行求解，得到配气机构零部件动力学特性，包括气阀、挺柱速度；

(2)建立凸轮-挺柱接触分析模型，求解运行过程中波动的接触载荷，考虑结构振动优化接触载荷方程，获取接触微区内工况变化情况，包括卷吸速度、曲率半径，为后续弹流润滑分析提供基础；

(3)建立凸轮-挺柱副弹流润滑分析模型，并耦合获取的波动接触载荷，分析波动载荷下油膜状态，包括油膜压力、油膜厚度，为配气机构弹流润滑分析提供新方法。

2.根据权利要求1所述的一种考虑结构振动的船用凸轮-挺柱副弹流润滑分析方法，其特征是：建立单质量动力学模型的过程为：

将配气机构简化为单自由度动力学模型，用一个集中质量的运动来描述气门的运动，将推杆假设为一个无质量的弹簧，推杆以后的零部件的质量经转化集中到气门端一侧；

假设弹簧是安放在推杆位置上，则推杆质量有一半转换到气门端系统质量M上，设推杆本身质量为M₁，其转换质量为m₁，在配气系统运动时,摇臂在推杆端的运动速度为v_T，摇臂在气门端的运动速度为v_G，推杆在气门端的转换质量m₁为：

由于因此

假设摇臂的转动惯量为I，气阀到摇臂轴中心的距离为l，则摇臂转换到气门端系统质量M上的质量m₂为：

转动惯量I通过实测求得，气门弹簧的一端随气门运动，另一端是固定的，它的质量m_V只有1/3转换到M上，由此得

添加阻尼元件和气门座参数，得单自由度动力学模型；

将配气机构简化为单自由度动力学模型后，利用集中质量M的运动来描述气门的运动，M的一端通过刚度为K_S的气门弹簧与气缸盖相连，另一端连接一个假设刚度K_T的弹簧，此时弹簧上端直接由凸轮驱动，且其运动规律已知：

x＝x(α)＝k·h(α)-δ；

k为摇臂比，δ为气门间隙，h(α)为挺柱升程函数，x(α)是把配气机构当做完全刚性时的气门升程函数；

集中质量M的位移y依赖于凸轮转角的表达式y＝y(α)，建立y＝y(α)所满足的微分方程及其初始条件；

假设作用在集中质量M上的外力总和为F，则

式中，M为集中质量，ω为凸轮角速度；

外力包括以下几个部分：

配气机构的弹性恢复力K_T·J，其中

气门弹簧弹性力-K_S·y(α)；

气门弹簧预紧力-F₀；

气缸内燃气对气门的作用力-F_g(α)，针对燃气作用力F_g(α)，设气缸内气体压力为P，气门背面气道的压力为P₀，气门底盘面积为A₁，半径为r₁，气门背部受到P₀作用的面积为A₂，则

F_g(α)＝A₁·P(α)-A₂P₀；

针对气阀结构，将气阀头简化为一个圆台，其中r₂表示气阀杆半径，气阀头部倾角为30°，则

A₁＝π·r₁²；

已知气阀结构，便可求得气阀所受燃气作用力的大小；

内阻尼力C_S·ω·J_v，其中

外阻尼力

将以上各力总和带入F，可得到

为了得到确定的气门升程函数y，补充给出以下两个初始条件，即在对应于气门开始打开瞬间α＝α₀，有

配气机构在实际运动过程中，各部件之间可能发生脱离，需根据各部分的接触状态相应改变动力学方程的系数，定义当量压缩量为z(α)＝x(α)-y(α)，则当z(α)≤0时，表明当量凸轮与气门已脱离接触；

此时初始条件改为：

式中：α₀为气门开启时的凸轮轴转角；

对于内阻尼C_S，采用公式：

当摇臂与气门接触时，配气机构受压缩产生变形，逐渐克服气门弹簧预紧力，当配气机构弹性变形力、内阻尼力的合力与气门弹簧预紧力大小相等时，气门开始运动，将配气机构弹性变形力、内阻尼力的合力F与气门弹簧预紧力F₀大小相等时作为气门运动的始点；

每经过步长计算一次配气机构弹性变形力、内阻尼力的合力F：

当出现时，开始求解；

对于高速或高柔度的内燃机配气机构，考虑到其弹性变形，利用单自由度动力学模型来计算凸轮与挺柱间的作用力F，将气门与挺柱分开考虑，把动力学模型建在凸轮端，即此时凸轮驱动质量m，为挺柱质量加上半个推杆质量；

凸轮所受到的力就包括：

气门弹簧预紧力F₀，2燃气压力F_g，质量m的惯性力F_N，

此时其中M₂为挺柱质量；

配气机构弹性恢复力F_C，换算到挺柱端为k²·K_S，换算到挺柱端为z(α)/k，故弹性恢复力为

阻尼力F_b，若在气门端测得的阻尼系数为C_S，取阻尼力为

综合得，

3.根据权利要求1所述的一种考虑结构振动的船用凸轮-挺柱副弹流润滑分析方法，其特征是：建立凸轮-挺柱副运动学分析模型；

求得两表面，即凸轮表面速度和挺柱表面速度为：

式中，u_a为凸轮表面速度；u_b为挺柱表面速度；ω为凸轮角速度；R为凸轮综合曲率半径；h″_α为几何加速度；

两表面间卷吸速度为：

u＝(u₁+u₂)/2

建立凸轮-挺柱副线接触等效模型，将其简化为圆柱对平面的线接触几何结构，其中凸轮综合曲率半径R计算公式为：

R＝R₀+h_α+h″_α

式中，R为凸轮综合曲率半径；R₀为凸轮基圆半径；h_α为挺柱升程运动规律；

接触应力为：

接触宽度为：

式中，p₀为凸轮-挺柱间接触应力；b为凸轮-挺柱间接触半宽；E'为材料当量弹性模量；B₀为凸轮宽度；

对于接触区的当量弹性模量E'：

式中，E₁、E₂为相应材料的弹性模量；μ₁、μ₂为相应材料的泊松比；

在凸轮-挺柱运行过程中，对广义雷诺方程进行化简，得到其瞬态条件下线接触雷诺方程为：

式中，p为油膜压力分布；h为油膜厚度分布；η为润滑油粘度；ρ为润滑油密度；u为两表面的卷吸速度；

求解雷诺方程所需边界条件为：

式中，x_in和x_out为计算域的入口坐标和出口坐标，b为接触半宽；

考虑弹性变形的光滑表面线接触润滑膜膜厚方程为：

式中，h₀为初始膜厚，v(x,y,t)是弹性变形项；

在整个润滑膜范围内，将压力p积分得到的润滑膜承载量与凸轮-挺柱间单位长度上的接触载荷相平衡：

式中，w_load为动力学分析中计算得到载荷；

进行润滑状态分析时，采用Roelands压力-粘度公式和Dowson-Higginson压力-密度公式：

式中，α为润滑油粘压系数，η₀为润滑油的环境粘度；

式中，ρ₀为常压下的密度。