本文对某发动机轴瓦设计进行了可行性分析，并利用经典公式对轴瓦表面比压进行校核计算，运用CAE软件进行一维仿真分析单位载荷和最小油膜厚度，根据分析结果认为双金属铝合金轴瓦的设计方案具有设计可行性。

轴瓦是滑动轴承和轴接触的部分，非常光滑，由于润滑油中断供给或供给不足，或者是轴瓦和曲轴轴颈间的油膜没有形成，在曲轴轴颈和轴瓦间引起半干摩擦或干摩擦。每次发生时，金属缺油润滑而且轴瓦的温度上升不足以引起轴瓦的变色和发生轴瓦过热现象，但是每次金属的直接接触都会有一部分轴瓦合金被磨下来，造成间隙增大，久而久之，反复多次既造成轴瓦的过度磨损，使发动机机油压力下降，导致最后不能运行。

曲轴轴瓦的工作情况是比较恶劣的：承受气体爆发压力和活塞连杆组惯性力的作用，这些力都是周期性变化的带冲击性的负荷，其最大比压可达16～80MPa；轴颈与轴瓦之间的相对滑动速度可达l0m/s以上，在这样高的负荷下作如此高速的相对运动，会产生大量的摩擦热，使轴瓦的工作温度迅速上升，此时如果不能保证液体润滑，就会使轴瓦强烈磨损。为了导出摩擦所生的热量，减小轴瓦磨损，设计时必须保证有足够的机油通过轴瓦。

曲轴轴瓦对内燃机工作有着重大的影响，它不仅影响到其工作的可靠性和耐久性，而且也影响到内燃机进一步强化的潜力。因此，对曲轴轴瓦的设计必须给予极高重视。

轴瓦可行性设计分析计算

1.轴瓦最大表面比压计算

（1）选择合适的轴瓦有效宽度

根据主轴承座座孔有效宽度（18mm）和曲轴主轴颈有效宽度（18.7mm），选择主轴瓦的有效宽度为16mm，根据连杆大头孔有效宽度（18.9mm）和曲轴连杆颈有效宽度（17.9mm），选择连杆瓦的有效宽度为15.2mm。

（2）主轴瓦最大表面比压

主轴瓦下瓦承受燃烧压力作用，其比压远远大于上瓦，下瓦表面比压计算采用下列公式：

Pj= -mjRω2cosα-λmj Rω2cos2α
σM =（Pg+Pj）/（SM×δ）

Pg= π×（D/2）2×Pmax

SM =We×dm

其中，σM——主轴瓦下瓦表面平均比压；Pg——燃烧压力；dM——主轴瓦颈直径，dM=45MM；SM——主轴瓦有效承载面积，=720mm2；δ——经验数值，δ=1.66；D——缸孔直径，D=75mm；Pmax——最大爆发压力，Pmax=10.5MPa；Pj——往复惯性力；mj——运动件往复质量，mj=430.9g；R——曲柄半径，R=75mm；ω——最大爆发压力下曲轴角速度，ω=4500（r/min）；λ——连杆比即曲柄半径/连杆长度，λ=0.317；α——曲轴转角，α=0°。

由以上数据可得在最大爆发压力下的主轴瓦下瓦的表面平均比压，此值即是主轴瓦的最大表面比压σM=34.35MPa。

（3）连杆瓦最大表面比压

连杆瓦上瓦承受燃烧压力作用，其比压远远大于下瓦，上瓦表面比压计算采用下列公式：

σc=（Pg+Pj）/SC
SC =WC ×dC

其中，σc——连杆瓦上瓦表面平均比压；Pg——燃烧压力；Pj——往复惯性力；dC——连杆颈直径，dC=44mm；SC——连杆瓦有效承载面积，SC=668.8mm2。

由以上数据可得在最大爆发压力下的连杆瓦上瓦的表面平均比压，此值即是连杆瓦的最大表面比压=61.38?MPa。

（4）轴瓦表面比压可行性判断

铝合金轴瓦可承受的最大比压σmax可以达到65～70MPa，通过以上计算可得：主轴瓦最大表面比压σM≤σmax，连杆瓦最大表面比压σC≤σmax，即双金属铝合金轴瓦可以满足发动机的使用要求。

2.发动机轴瓦概念设计阶段一维仿真分析

CAE分析使用AVL Excite为计算平台，在Exicte中搭建曲轴系的等效计算模型，定义好各个部件的设计参数、润滑油特性和仿真控制参数。其中，曲轴使用shaftmodeler和autoshaft完成，连杆使用conrod modeler完成。

（1）建立分析模型

根据设计要求本次EHD分析主要评估轴瓦的润滑特性和各个轴承处的最大总压。通过Excite PU平台建立曲轴系动力学模型（见图1）。

曲轴使用软件ShaftModeler 和Autoshaft 进行识别，以3D CAD 模型（STL格式）为基础，分割曲轴系各质量段，生成曲轴系的等效模型（见图2）。

曲轴为锻钢件，用于仿真的参数设定：密度为7.8e9t/mm3，弹性模量为2.1e5MPa，泊松比为0.3。

（2）计算边界

发动机各个转速下的缸压载荷从BOOST计算模型中提取，并乘以相应的系数，保证最大爆压为10.5MPa，具体边界如图3所示。

（3）计算结果

经过计算分析认为，发动机全转速范围内主轴瓦和连杆瓦的单位载荷和最小油膜厚度均满足设计要求，具体计算结果如图4～7所示。设计要求：主轴瓦单位载荷≤45MPa、连杆瓦单位载荷≤60MPa、主轴瓦最小油膜厚度≥0.7mm、连杆瓦最小油膜厚度≥0.5mm。

结论

本文对某发动机轴瓦设计进行了可行性分析，并利用经典公式对轴瓦表面比压进行校核计算：在此款发动机的概念设计阶段，结合理论公式和曲轴系一维仿真分析，判定轴瓦的设计具有可行性；通过此方法可以在发动机的概念设计阶段，快速高效的识别出轴瓦设计可行度，最大程度降低发动机的开发风险。