曲轴油封密封性能分析及影响参数研究
发布时间：2021-11-20 11:59
曲轴油封是发动机总成中的重要零部件其密封性能直接影响到发动机的总体性能。随着汽车工业的发展,发动机整机性能不断强化,曲轴线速度不断的提高,这对于曲轴油封的密封性能提出了更加严苛的要求。传统的曲轴油封结构设计很大程度上依赖于设计者的经验,曲轴油封的密封性能只有在产品成型之后,通过实验检测的方式来获取,这种开发流程成本很大。随着计算机技术的发展,将仿真分析融入曲轴油封结构设计和性能研究中成为了曲轴油封开发设计的一种新思路。本文利用有限元软件ABAQUS建立曲轴油封的二维轴对称模型,分析了曲轴油封结构参数对曲轴油封静态接触性能的影响规律。分析结果表明,曲轴油封唇口最大接触压力与气侧唇角、弹簧刚度和油封腰厚呈正相关,与油侧唇角、过盈量和R值呈负相关;曲轴油封的单位周长径向力与过盈量、弹簧刚度和油封腰厚的变化呈正相关,与油侧唇角、气侧唇角和R值的变化呈负相关。以有限元分析为基础,借助正交试验设计方法对曲轴油封结构参数进行优化设计,获得了以最大接触压力和最小单位周长径向力为优化目标的曲轴油封最佳结构参数组合。通过极差分析得到了油封结构参数对油封密封性能影响的主次顺序;通过方差分析,获得了油封结构参...
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
油封结构示意图
重庆理工大学硕士学位论文10只需提供结构的几何形状、边界条件和材料属性等工程数据，就可以对模型进行分析计算。同时，ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料及土壤和岩石等地质材料。ABAQUS集成显式和隐式求解器，有着优秀的复杂系统模拟能力和分析能力，在各国工业和研究中被广泛地使用。2.2曲轴油封有限元模型建立2.2.1油封几何模型与网格划分本文研究的油封模型为发动机曲轴油封，其规格为80mm×100mm×8.5mm，其几何模型如图2.1所示。油封总成包含橡胶本体，金属骨架和压紧弹簧三部分组成。曲轴油封的结构参数包括油侧唇角α、气侧唇角β、安装过盈量δ、弹簧中心到唇口轴向距离R、腰厚s和弹簧刚度k。图2.1曲轴油封结构示意图在曲轴油封设计之初，油封与转轴之间会有一定的过盈量，曲轴油封依靠唇口的橡胶变形与转轴形成初始的接触状态，金属骨架的作用是用来支撑油封，保证油封有一个良好装配状态；压紧弹簧的设计是为了补偿油封接触所需要的径向力，防止由于橡胶老化导致的油封径向力衰减，同时保证油封与转轴有一个良好的跟随性，提高油封的使用寿命。在油封-转轴装配模型有限元建模时，考虑到油封在几何模型、边界条件及载荷施加都具有轴对称特征。因此，将曲轴油封实体模型简化成二维轴对称模型进行分
2曲轴油封有限元建模及结构参数分析11析，有限元建模时在不影响计算精度的前提下，对模型进行适当的简化，比如去掉曲轴油封上的定位槽、倒角等。对油封的橡胶部分和支撑骨架进行网格划分，压紧弹簧采用刚性圆圈和线性弹簧单元组合的形式来代替，转轴视为刚体部件，以解析刚体来完成转动轴的建模。在整个油封接触分析过程中，油封唇口的接触分析是十分关键的。因此，在网格划分时，对曲轴油封唇口进行网格细化，确保分析计算精度满足要求。对于橡胶单元，在分析时必须使用单元类型为四边形轴对称杂交单元（CAX4H），因为橡胶材料本身因为刚度较低，在受载荷后可能出现刚度迅速减小的情况，采用杂交单元就能很好的避免这个问题。金属骨架材料是钢材，在建模时选择四边形轴对称减缩积分单元（CAX4R）。由于四边形网格在控制网格变形上要比三角形网格强。因此，整个模型的网格划分均采用四边形网格。网格划分完成之后，再经过网格无关性验证之后，得到油封网格划分结果如图2.2所示。图2.2油封轴对称模型网格划分2.2.2材料模型的建立橡胶材料属于超弹性材料，有着非常复杂的应力-应变关系，在受到载荷变形时能迅速适应载荷的变化从而发生变形，在载荷卸载后又迅速恢复弹性变形，因此橡胶材料被视为几乎不可压缩[42]。为此，进行有限元分析时假设橡胶材料不可压缩，并且具有各向同性，变形后可以完全恢复。经过多年的研究，国内外学者提出过一些专门描述橡胶材料大变形的本构模型，用来描述橡胶材料性能：如Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、Neo-Hooke模型和Ogden模型等都是用来描述橡胶材料的本构模型。经过实验研究证，Mooney-Rivlin模型是应用最广泛且能够更好的模拟橡胶等不可压缩的超弹性材料在变形较大时力学性能的函数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于正交试验的油封唇口结构参数研究[J]. 江华生,刘杰,王鹏,季山. 流体机械. 2019(02)
[2]2种结构参数旋转轴唇形油封的密封性能研究[J]. 陈建垒,张付英,宋娜娜,段晶莹. 流体机械. 2018(09)
[3]油封温度场的数值模拟与实验研究[J]. 唐陈,赵良举,杜长春,李云飞,候激波. 润滑与密封. 2015(11)
[4]旋转轴唇密封轴表面微螺旋槽的反向泵送特性[J]. 贾晓红,Richard F.Salant,Steffen Jung,Werner Haas,王玉明. 清华大学学报(自然科学版). 2013(10)
[5]汽车变速箱油封胶料选择的探讨[J]. 何春燕. 江西化工. 2013(03)
[6]柴油机曲轴前油封密封性能分析及优化设计[J]. 李玉婷,廖日东,李杰. 润滑与密封. 2013(09)
[7]基于混合润滑数值模型的油封结构优化[J]. 贾晓红,郭飞,黄乐,范清,王玉明. 润滑与密封. 2013(08)
[8]结构参数对径向唇形密封圈密封性能的影响研究[J]. 吴庄俊,赵良举,杜长春,洪玉意,李云飞,赵向雷. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2012(11)
[9]旋转唇形油封泵吸效应及影响因素分析[J]. 赵良举,苏晓燕,杜长春,张佳佳,吴庄俊,赵向雷. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2011(12)
[10]唇式密封圈摩擦特性及泵吸效应的实验研究[J]. 周洋,刘小君,王伟,刘焜. 润滑与密封. 2011(08)
博士论文
[1]唇形油封密封性能及其轴表面织构效应的研究[D]. 江华生.浙江工业大学 2016
[2]唇形密封圈润滑性能及对转子动力学性能影响研究[D]. 周琼.华东理工大学 2013
[3]发动机油封的密封性能及磨损机理研究[D]. 叶子波.华南理工大学 2009
硕士论文
[1]基于正交试验及CFD的液环真空泵优化设计[D]. 宋乾斌.兰州理工大学 2019
[2]往复式骨架油封密封性能影响因素的分析研究[D]. 宋正朴.青岛科技大学 2018
[3]中低压工况下唇形油封性能实验及理论研究[D]. 王文强.浙江工业大学 2018
[4]唇形油封泵汲效应及唇口温度的实验与模拟研究[D]. 李宁.重庆大学 2018
[5]基于响应曲面法的油封结构参数优化设计研究[D]. 陈建垒.天津科技大学 2018
[6]若干因素对油封泵汲率影响的实验及数值模拟研究[D]. 侯激波.重庆大学 2017
[7]旋转式骨架油封密封性能分析及其产品设计技术研究[D]. 张启鑫.青岛科技大学 2017
[8]基于数值计算的油封增效性能研究[D]. 王宏浩.天津科技大学 2017
[9]油封密封性能的实验研究与数值模拟[D]. 唐陈.重庆大学 2015
[10]基于正交试验法的对旋轴流风机CFD数值模拟分析[D]. 赵震.燕山大学 2014
本文编号：3507279
【文章来源】：重庆理工大学重庆市
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
油封结构示意图
重庆理工大学硕士学位论文10只需提供结构的几何形状、边界条件和材料属性等工程数据，就可以对模型进行分析计算。同时，ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料及土壤和岩石等地质材料。ABAQUS集成显式和隐式求解器，有着优秀的复杂系统模拟能力和分析能力，在各国工业和研究中被广泛地使用。2.2曲轴油封有限元模型建立2.2.1油封几何模型与网格划分本文研究的油封模型为发动机曲轴油封，其规格为80mm×100mm×8.5mm，其几何模型如图2.1所示。油封总成包含橡胶本体，金属骨架和压紧弹簧三部分组成。曲轴油封的结构参数包括油侧唇角α、气侧唇角β、安装过盈量δ、弹簧中心到唇口轴向距离R、腰厚s和弹簧刚度k。图2.1曲轴油封结构示意图在曲轴油封设计之初，油封与转轴之间会有一定的过盈量，曲轴油封依靠唇口的橡胶变形与转轴形成初始的接触状态，金属骨架的作用是用来支撑油封，保证油封有一个良好装配状态；压紧弹簧的设计是为了补偿油封接触所需要的径向力，防止由于橡胶老化导致的油封径向力衰减，同时保证油封与转轴有一个良好的跟随性，提高油封的使用寿命。在油封-转轴装配模型有限元建模时，考虑到油封在几何模型、边界条件及载荷施加都具有轴对称特征。因此，将曲轴油封实体模型简化成二维轴对称模型进行分
2曲轴油封有限元建模及结构参数分析11析，有限元建模时在不影响计算精度的前提下，对模型进行适当的简化，比如去掉曲轴油封上的定位槽、倒角等。对油封的橡胶部分和支撑骨架进行网格划分，压紧弹簧采用刚性圆圈和线性弹簧单元组合的形式来代替，转轴视为刚体部件，以解析刚体来完成转动轴的建模。在整个油封接触分析过程中，油封唇口的接触分析是十分关键的。因此，在网格划分时，对曲轴油封唇口进行网格细化，确保分析计算精度满足要求。对于橡胶单元，在分析时必须使用单元类型为四边形轴对称杂交单元（CAX4H），因为橡胶材料本身因为刚度较低，在受载荷后可能出现刚度迅速减小的情况，采用杂交单元就能很好的避免这个问题。金属骨架材料是钢材，在建模时选择四边形轴对称减缩积分单元（CAX4R）。由于四边形网格在控制网格变形上要比三角形网格强。因此，整个模型的网格划分均采用四边形网格。网格划分完成之后，再经过网格无关性验证之后，得到油封网格划分结果如图2.2所示。图2.2油封轴对称模型网格划分2.2.2材料模型的建立橡胶材料属于超弹性材料，有着非常复杂的应力-应变关系，在受到载荷变形时能迅速适应载荷的变化从而发生变形，在载荷卸载后又迅速恢复弹性变形，因此橡胶材料被视为几乎不可压缩[42]。为此，进行有限元分析时假设橡胶材料不可压缩，并且具有各向同性，变形后可以完全恢复。经过多年的研究，国内外学者提出过一些专门描述橡胶材料大变形的本构模型，用来描述橡胶材料性能：如Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、Neo-Hooke模型和Ogden模型等都是用来描述橡胶材料的本构模型。经过实验研究证，Mooney-Rivlin模型是应用最广泛且能够更好的模拟橡胶等不可压缩的超弹性材料在变形较大时力学性能的函数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于正交试验的油封唇口结构参数研究[J]. 江华生,刘杰,王鹏,季山. 流体机械. 2019(02)
[2]2种结构参数旋转轴唇形油封的密封性能研究[J]. 陈建垒,张付英,宋娜娜,段晶莹. 流体机械. 2018(09)
[3]油封温度场的数值模拟与实验研究[J]. 唐陈,赵良举,杜长春,李云飞,候激波. 润滑与密封. 2015(11)
[4]旋转轴唇密封轴表面微螺旋槽的反向泵送特性[J]. 贾晓红,Richard F.Salant,Steffen Jung,Werner Haas,王玉明. 清华大学学报(自然科学版). 2013(10)
[5]汽车变速箱油封胶料选择的探讨[J]. 何春燕. 江西化工. 2013(03)
[6]柴油机曲轴前油封密封性能分析及优化设计[J]. 李玉婷,廖日东,李杰. 润滑与密封. 2013(09)
[7]基于混合润滑数值模型的油封结构优化[J]. 贾晓红,郭飞,黄乐,范清,王玉明. 润滑与密封. 2013(08)
[8]结构参数对径向唇形密封圈密封性能的影响研究[J]. 吴庄俊,赵良举,杜长春,洪玉意,李云飞,赵向雷. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2012(11)
[9]旋转唇形油封泵吸效应及影响因素分析[J]. 赵良举,苏晓燕,杜长春,张佳佳,吴庄俊,赵向雷. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2011(12)
[10]唇式密封圈摩擦特性及泵吸效应的实验研究[J]. 周洋,刘小君,王伟,刘焜. 润滑与密封. 2011(08)
博士论文
[1]唇形油封密封性能及其轴表面织构效应的研究[D]. 江华生.浙江工业大学 2016
[2]唇形密封圈润滑性能及对转子动力学性能影响研究[D]. 周琼.华东理工大学 2013
[3]发动机油封的密封性能及磨损机理研究[D]. 叶子波.华南理工大学 2009
硕士论文
[1]基于正交试验及CFD的液环真空泵优化设计[D]. 宋乾斌.兰州理工大学 2019
[2]往复式骨架油封密封性能影响因素的分析研究[D]. 宋正朴.青岛科技大学 2018
[3]中低压工况下唇形油封性能实验及理论研究[D]. 王文强.浙江工业大学 2018
[4]唇形油封泵汲效应及唇口温度的实验与模拟研究[D]. 李宁.重庆大学 2018
[5]基于响应曲面法的油封结构参数优化设计研究[D]. 陈建垒.天津科技大学 2018
[6]若干因素对油封泵汲率影响的实验及数值模拟研究[D]. 侯激波.重庆大学 2017
[7]旋转式骨架油封密封性能分析及其产品设计技术研究[D]. 张启鑫.青岛科技大学 2017
[8]基于数值计算的油封增效性能研究[D]. 王宏浩.天津科技大学 2017
[9]油封密封性能的实验研究与数值模拟[D]. 唐陈.重庆大学 2015
[10]基于正交试验法的对旋轴流风机CFD数值模拟分析[D]. 赵震.燕山大学 2014
本文编号：3507279
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