基金论文丨基于正交试验的曲轴油封结构参数研究
为什么要研究基于正交试验的曲轴油封结构参数?
在发动机总体性能评价中,密封性能占重要地位,其中曲轴油封是影响密封性能的关键部件。随着汽车技术的更迭,发动机整机性能不断强化,曲轴线速度不断提高,对曲轴油封密封性能的要求更为严苛。目前,国家标准中曲轴油封的基本结构参数仅限推荐值,细部结构参数则由用户和生产企业依据经验自行确定和调整,这导致了相同规格、相同材料、相同环境下使用的曲轴油封由于不同细部设计的差别,在油封密封性能和使用寿命上有不同的表现。
前人对油封密封性能的研究已经形成一系列的研究成果,其主要工作是通过建立油封二维轴对称有限元模型,研究油封结构参数对静态接触性能的影响。李玉婷等利用有限元软件建立了柴油机曲轴前油封轴对称模型,对油封材料、安装过盈量(δ)和前后唇角对唇口Von Mises应力及唇 口接触压力展开研究,得到二者在唇口接触宽度上的分布,并在此基础上对油封结构进行了优化。江华生等利用有限元软件ANSYS建立了发动机曲轴无簧油封的轴对称有限元模型,分析油封腰厚(s)、腰长、空气侧角度、圆角半径和δ等结构参数对油封唇口最大接触压力、唇口径向力和唇口接触宽度等密封性能和接触性能指标的影响。
上述研究仅考虑单一结构参数对曲轴油封静态接触性能的影响规律,而曲轴油封的实际应用情况复杂多变,因此对多个结构参数共同影响曲轴油封静态接触性能的研究和结构参数优化是非常必要的。
本工作针对发动机曲轴油封,基于正交试验设计原理,对结构参数油面唇角(α)、气面唇角 (β)、δ、弹簧中心到唇口轴向距离(r)、s和弹簧劲度系数(k)进行正交试验设计,利用有限元软件Abaqus模拟分析曲轴的油封唇口接触压力分布情况,采用唇口平均接触压力(Pav)和唇口单位周长径向力(Fr)两个密封性能指标,通过极差分析法,得到曲轴油封6个结构参数(α,β,δ,r,s和k)对Pav和Fr影响的大小排序,并以最大Pav和最小Fr为目标函数优化结构参数,获得满足目标函数的最优结构参数组合,为企业和相关研究机构对曲轴油封结构优化提供参考。
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曲轴油封的几何模型
本工作以规格为Φ80×Φ100×8. 5的发动机曲轴油封为研究对象,其几何模型如图1所示。
从图1可以看出,曲轴油封包含橡胶部分、金属骨架和压紧弹簧3个部分。优化前曲轴油封的结构参数为α 45°,β 25°,δ 0.8 mm,r 0.4 mm,s 1. 12 mm,k 469 N/m。
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正交试验设计
依据正交试验设计原理,将发动机曲轴油封的6个结构参数(α,β,δ,r,s和k)定义为试验因 子,除了k的取值外,其余结构参数均按照国家标准GB/T 9877—2008《液压传动 旋转轴唇形密封 圈设计规范》中的推荐范围进行确定。依次探讨各结构参数对Pav和Fr等接触性能指标的影响,并以最大Pav和最小Fr为目标值,寻求结构参数的最优组合。因子与水平如表1所示,综合分析后确定6因子5水平的试验方案如表2所示。
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有限元分析模
型
结合表2和有限元分析方法,按照解析刚体建立发动机曲轴油封的有限元模型。采用有限元分析软件Abaqus模拟25种方案下曲轴油封的静态密封状态,计算获得各方案油封的唇口接触压力和唇口接触宽度,进一步计....
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