1 绪论
1.1 微动的研究意义
微动发生在两个相互接触的表面之间，其振幅极其微小，单位为微米，发生的条件是两个相互接触的表面之间必须密切配合，而且处于不断振动的环境[1]。发生微动现象以后，两个相互接触的表面之间会有摩擦磨损，引起部件之间相互咬合、啮合，使部件的裂纹更早、更快的出现，部件的使用寿命更加减少。微动现象一般情况下会出现在存有机械振动、疲劳载荷、电磁振动、热循环等交变载荷的环境中，部件发生相对运动[2-4]，而且这种运动不容易察觉发现，也不易于测量。在微动摩擦学研究中，微动产生的机械材料损伤包括[5,6]:①微动磨损：相互接触的机械部件承受局部的接触载荷、固定的作用力，接触面因受到外界振动从而发生极其微小的相对移动，接触面间发生摩擦磨损，会致使机械部件的尺寸发生变化，致使相互接触的机械部件发生咬合、损害部件传递的功率、增加噪声，如图 1.a 所示。②微动疲劳：机械部件收到来自外界交变载荷，机械部件的接触面发生微小变形，接触面产生疲劳损伤，从而会使机械部件的使用寿命大大降低，使部件的微动疲劳极限比正常疲劳极限小很多，危险性更大，极有可能发生恶劣的事故、甚至是事件，如图 1.b所示。连杆衬套与连杆小头之间是以过盈配合的方式进行联接的，在实际生活中，轮轴间的配合也是一种比较典型的过盈配合方式。在火车上的车轴是机车上的比较关键的零部件，在运行中不断受到交变载荷的作用，在与轴承配合的轴颈表面、轮座表面的部位上都会产生微动。微动损伤主要出现在轮座内表面的接触边缘，会造成氧化磨削、表面形貌的变化、表面或者亚表面发生塑性变形、甚至会产生微裂纹。有关部门曾经做过比较详细的统计：在国内，因微动造成车轴失效损坏的数量达到损坏车轴的 70％以上，在国外，因微动造成的车轴破损的比例也很高，危及行车和驾驶员的安全。轴承和轴承座间的配合，在交变载荷的作用下有极大可能会产生微动、微动损伤。比如：在接触面间的过盈量太小而不足时，接触面处就会产生微动磨损，造成零部件上的应力集中，甚至会造成振动应力增大，零部件的表面疲劳裂纹不断扩展，造成零部件断裂。
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1.2 国内微动特性的研究现状
相比较于国外的微动摩擦磨损的研究，国内起步较晚，但在许多知名学者和研究人员的努力下，在微动领域取得了显著的成果。在 20 世纪，中国的国内研究学者就已经着手对微动现象进行了探究。1986 年，郭强，郭丰镐[12]在特定的微动参数下，对聚酞亚胺等十二种未改性的工程塑料在干摩擦下与 GCr15 钢球配对时的微动磨损特性进行了研究，对微动磨损的磨痕和磨屑形态进行了显微观察与探究,得到各种工程塑料微动磨损行为的特征,微动磨损的基本过程。李东紫、支福相对 5 号钢及 C 铝合金进行了研究,探究微动损伤机理及其对疲劳强度的影响，并证实微动损伤使机械材料的疲劳极限降低了 30%-55%左右。陈吉刚针对叶栅损坏事故得到了微动磨损和振动特性间的关联。1993 年[13]高护生等针对接触压力对徽动疲劳强度的影响进行了研究，微动疲劳极限随接触压力的增加而下降,当下降到一定程度时即保特不变。何明鉴从计算和实验方面针对燕尾联接的微动磨损疲劳进行了研究，通过计算方法对实验结果进行了验证,并用以预测表面磨损的程度和裂纹可能扩展的位置,并且特别指出接触面间的摩擦系数对应力分布以及表面磨损程度影响明显。燕平[14]对工业纯铜和奥氏体不锈钢的正交圆柱接触进行测定，对正载荷、振动频率及材料性能对微动摩擦接触状态的影响规律进行实验研究，得到特定低振幅条件下,接触面间存在相时静止的区域。赵锁宗等对车轴轮座与轮毅孔的过盈连接进行了实验，得出在接触应力和工作负荷的作用下，接触面间会产生一定的工作应力,并随有很小的滑动,且应力的分布极不均匀，徽动量、滑移区域与轮座的型式、轮刚度、法向力的大小等因素有关，微动磨损使构件的疲劳强度降低 30%-80%。在 20 世纪 90 年代西南交通大学的周仲荣教授[15，16]对微动磨损特性的研究取得更大的进步：微动磨损和微动疲劳 2 种主要的微动模式在实际工业最为普遍,主要探究了位移幅度、压力和疲劳应力，以微动区域、微动图为基础，得到了微动磨损与微动疲劳的运行机制和破坏规律，并进一步探讨了接触磨损与局部疲劳、局部疲劳与整体疲劳之间的竞争机制，以微动运行机制和破坏特性的二类微动图为基础，介绍了运行工况微动图的部分滑移区、混合区和滑移区，证明微动破坏与微动区域有密切关系，在改变微动区域、增加表面强度、利用润滑、合理选择材料及匹配等方面对减缓微动做出意见。
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2.弹性接触理论及 ANSYS 接触分析理论
2.1 连杆衬套简介
进入 21 世纪以来，汽车行业飞速发展，快速、可靠等需求使发动机的生产更加严格、精密。作为发动机中主要的摩擦副之一的连杆衬套和连杆小头的联接质量更加凸显重要。作为连接连杆小头和活塞销间的连杆衬套，作为主要的传递力和传递扭矩的部件，其机械性能、可靠性对发动机的运转起到至关重要的作用，甚至已经提高到人们认为连杆衬套的使用寿命将会影响到整个发动机的使用寿命。柴油机在运转工程中，连杆衬套向连杆小头传递惯性力和活塞销上的载荷，而且在周期内，载荷发生周期性变化，收到交变载荷的作用。连杆衬套与连杆小头以过盈配合的方式联接，与活塞销间以间隙配合的方式联接，并且部件间的配合隶属于精密配合的范畴，在工作过程中，连杆衬套只能依靠细小的油孔和油槽来实现润滑，且属于飞溅润滑，连杆衬套润滑不能充分实现，并且在承受交变载荷、冲击载荷和高温的不断相互冲击影响，工作环境状况恶劣不堪，在使用过程中容易被磨损、烧蚀和冲蚀，被损坏，影响衬套的性能，甚至使连杆衬套提前损坏而必须替换掉，这样会造成很大的经济损失，甚至会发生不可挽回的事故。鉴于连杆衬套的重要性，近来人们对连杆衬套的性能要求愈加严格，要求连杆衬套具备良好的耐磨性、高效的承载能力，较小的摩擦系，优良的抗粘、咬能力，大的弹性模量和结构刚度等[40]。目前在发动机市场上，连杆衬套大致可分为两种类型：圆筒型、梯型，如图 2.1、2.2 所示。在连杆衬套的生产加工过程中，圆筒型相较于梯形的衬套，其生产加工工艺更为简单、便捷，而且在多数发动机中使用圆筒形的连杆衬套，相比较而言，梯形连杆衬套的使用范围比较小，大多适用于增压柴油发动机的使用。
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2.2 经典 Hertz 弹性接触理论
微动摩擦磨损研究中的机械部件接触分析可分为：静止接触状态、完全滑移状态、部分滑移状态 3 种情况，连杆衬套和连杆小头简的接触分析以接触应力计算为基础，但是接触应力计算是基于赫兹接触理论实现的，所以在本节中，将对静止接触状态（Hertz弹性接触理论）进行介绍。两个弹性体间的接触问题大致可以简化为球面和球面的接触、柱面和柱面的接触。要想使用 Hertz 理论对接触问题进行解答，需要满足以下要求（对弹性体的接触做出假设）：①能够使用微分几何来表达分析两接触体的表面；②非共形的接触；③接触间的变形属于小变形；④接触面光滑无摩擦。有限元法也可以理解成离散化数值方法，单元与之间以节点的形式发生联系，一切关于相互接触机械部件间的力、位移等结果皆可基于节点进行计算。每个接触单元应用恰当的插值函数，并设置一定的便捷条件，尽量满足实际情况。最后将单元的方程罗列组合，进而求得机械部件的方程，通过求解方程就能取得所需求地的接触部件的近似解。有限元法典型分析一般包括：结构离散化；选择位移函数；分析单元力学特性的；计算等效节点载荷；局部坐标系与整体坐标间转换；整体平衡方程及总刚度矩阵；计算节点位移及其他求解。
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3. 连杆衬套接触有限元仿真
3.1 有限元模型的建立..............17
3.1.1 模型划分网格及接触类型的定义.............17
3.1.2 接触单元的定义........18
3.2 模型受力分析...........19
3.3 有限元分析....25
3.4 本章小结.......29
4.连杆衬套微动特性研究
4.1 爆压时刻连杆衬套的接触压力.....32
4.2 爆压时刻连杆衬套的摩擦应力.....34
4.3 爆压时刻连杆衬套的微动滑移.....35
4.4 爆压时刻连杆衬套的微动幅值.....39
4.5 爆压时刻连杆衬套的摩擦功.........41
4.6 连杆衬套微动特性的周期性变化............43
4.7 本章小结........46
5. 连杆衬套微动特性正交模拟试验
5.1 正交试验简介...........48
5.2 正交试验的设计.......49
5.3 试验结果分析...........50
5.连杆衬套微动特性正交模拟试验
在本章中，基于前文连杆衬套微动特性分析的基础上，建立正交模拟试验对连杆衬衬套的微动摩擦磨损进行分析，在第四章中已经对连杆衬套的微动滑移幅值、摩擦功的求取做了比较详细的介绍，也发现在爆压时刻衬套的微动滑移、摩擦功都最大，所以在本章中主要针对爆压时刻的微动特性参数：最大微动滑移幅值、摩擦功进行探究。
5.1 正交试验简介
正交试验法是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点，具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，包括原理的探索、研究和方法应用。正交试验是分析因式设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。它利用一套规格化的表格（数学家们依据数理统计的观点，根据正交性的原理，制作科学的、标准化的表格），即正交表来设计试验方案和分析试验结果，能够在很多的试验条件中，选出少数几个代表性强的试验条件，并通过这几次试验的数据，找到较好的生产条件，即最优的或较优方案。正交试验中涉及的主要概念：指标、因素和水平。试验结果也称为需要指标参数（指标），又有定性指标和定量指标之分，定量指标使用常实数等直接标出，定性指标是以评定结果等级来定性的描述。试验因素是在设计正交试验之前必须要确定的对试验结果可能造成影响的自变量，且每个试验因素的状态（因素水平）也需确定。正交试验的第一步就是选择合适的正交表，正交表是基于均衡分散，综合数学理论在拉丁方和正交拉丁方而形成的，具有正交性（正交表中每个因数的水平出现的次数相同，且正交表中任意两列的因素水平组合出的次数也相同）。在设定了因素个数和因素的水平后，依据试验因素、因数水平选择合适的正交表格，并优先选用较小的正交表格，本文中使用的是 3 因素 4 水平的正交表。正交试验结果数据的处理通常使用两种方法：直观分析法，即极差分析法；方差分析法。经过正交试验的分析，能够得知：试验因子极其交互作用的主次顺序，分清主次；得到最优水平组合；得到试验因子与指标参数的关系，即试验因子对指标参数的影响规律；预测最优试验因子组合试验指标估计值。正交试验的直观分析法一般不考虑试验因素的交互作用，利用极差法来实现对不同试验因素的不同水平的分析，即将试验指标参数的最大值减去最小值。极差分析可以实现以下功能：极差越大，表明该因子的水平变化对试验结果有更重的影响，并以此来确定试验因子的主次顺序；确定优化方案；绘制趋势图；估计指标。采用极差分析方法得到优化方案后，不需要再做进一步的试验，也就是说其试验结果分析真实可靠。极差分析方法简单直观、计算量相对较少，但是不能对误差的大小做出预估，也不能得出试验因子极其交互的显著性。如果是单指标正交试验，能够利用极差得到主要影响因素，并能够得到最佳方案，但是在实际应用过程中，指标参数很多，这时就需要用到方差分析，得到各个试验因素和因素交互的显著性，做定量分析。
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结论
连杆衬套与连杆小头间是以过盈配合的方式联接，衬套与连杆小头材料不同，连杆衬套和小头的接触面，在一样的载荷作用下，发生的变形也不尽相同，接触面间发生相互极其微小的错动，是为微动。在本文中基于弹性接触理论，使用 ANSYS 有限元分析软件对衬套和连杆小头间的接触过程进行分析研究。对连杆衬套与小头间的微动滑移和微动摩擦功等特性进行了比较深入放入探讨，经过对计算数据的分析归纳，得到以下结论：
（一）在 ANSYS 软件中建立活塞销-衬套-连杆小头的有限元分析模型，建立了两个载荷步：第一个载荷部只考虑装配预紧力，第二个载荷步考虑衬套的受力。在第一个载荷步分析中，对衬套的接触压力进行了分析研究，并分别设置衬套与小头间的过盈量为0.06、0.07、0.08、0.09、0.10mm，并将有限元计算得到衬套的接触压力值与理论计算值进行比较，两者误差较小，证明模型可靠。第二个载荷步中，模拟受力，得到了当过盈量分别为 0.06、0.07、008、0.09、010mm 时连杆衬套在载荷作用下的等效应力，得到了衬套等效应力的分布规律，并且对不同过盈量下衬套的最大等效应力值进行了比较，得出衬套的等效应力值随过盈量的增大而增大。
（二）在衬套上随机选取了 5 个节点，分别探讨了在不同过盈量时连杆衬套的接触压力、摩擦应力（对衬套的微动滑移、摩擦有直接关联）的变化，得到：随着过盈量的增加，衬套的接触压力和摩擦应力都有增大的趋势，且摩擦系数越大，接触压力与摩擦应力也越大。
（三）在衬套与看连杆小头的接触表面上划分了三条路径（路径距离衬套外表面的距离分别为 2.5mm、15mm、22.5mm），在每条路径上分别均匀的选取了 24 个节点，对衬套在爆压时刻的轴向和周向微动位移（建立局部柱坐标系，以便分析）进行了分析研究：衬套在上半部分外表面的所有节点的轴向微动幅值为正值，下半部分为负值（正值表示衬套的周向微动滑移方向与建立的局部坐标系的方向相同），衬套整个接触面上的节点沿周向都是先减小后增大，在衬套上下承压区位移较大，在衬套左右中心附近位移较小，在衬套下部分上的同轴线上节点的轴向微动滑移幅值从边缘处向衬套内侧逐渐减小，而上半部分上节点反而逐渐增大。衬套在底部承压中心线和上部承压区中心线上的切向微动位移几乎为零，且切向位移均沿轴向边缘处向衬套内侧逐渐减小。
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参考文献（略）