趙世來(lái)，張治國(guó)，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

一種活塞動(dòng)力學(xué)分析

趙世來(lái)，張治國(guó)，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

通過(guò)計(jì)算軟件分析得知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用偏心結(jié)構(gòu)時(shí)，偏心距離的多少，直接影響到活塞對(duì)缸套的敲擊動(dòng)能，也會(huì)影響到活塞對(duì)缸套的側(cè)向力。這里詳細(xì)地闡述分析過(guò)程。

曲軸；側(cè)向力；活塞

前言

為了對(duì)比不同發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸偏心量對(duì)活塞裙部側(cè)向力的影響，運(yùn)用分析軟件對(duì)一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞組件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬分析，從而為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

1 活塞動(dòng)力學(xué)分析模型

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)分析模型包含活塞(單體)、連桿組件、氣缸套、一套活塞環(huán)組件、活塞銷，如圖1所示。

2 方案分析

在額定工況下，對(duì)兩種不同曲軸偏心進(jìn)行對(duì)比分析。

方案1：曲軸向主推力面偏移10mm。

方案2：曲軸向主推力面偏移8mm。

圖1 動(dòng)力學(xué)分析模型

3 輸入?yún)?shù)和邊界條件

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

某發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

3.2 活塞基本參數(shù)

3.3 活塞冷、熱態(tài)型線

根據(jù)活塞型線設(shè)計(jì)圖，結(jié)合近似活塞溫度場(chǎng)，分析得到活塞的冷態(tài)型線及熱態(tài)型線，如圖2所示，并輸入動(dòng)力學(xué)程序中。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)表

表2 活塞參數(shù)表

圖2 活塞冷、熱態(tài)型線

3.4 缸體熱態(tài)型線

由于沒(méi)有獲得缸孔冷態(tài)變形量、表面溫度及熱變形量數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定缸套熱態(tài)型線，如圖3所示，并將其輸入動(dòng)力學(xué)程序中。

圖3 缸孔熱態(tài)型線

3.5 缸體熱態(tài)型線

下邊是廠家提供的缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 缸內(nèi)壓力曲線圖

4 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

4.1 活塞二次運(yùn)動(dòng)擺角及位移

活塞在缸套中除了做往復(fù)運(yùn)動(dòng)之外，在配缸間隙的作用下，活塞在上下止點(diǎn)處將發(fā)生從缸套一側(cè)向另一側(cè)的橫向位移與繞銷軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這類稱為活塞的二次運(yùn)動(dòng)。若換向過(guò)程中位移或轉(zhuǎn)角過(guò)大，將可能導(dǎo)致活塞頭部、環(huán)岸高度或裙部邊緣與缸套接觸，造成劃傷或拉缸。因此，有必要結(jié)合活塞換向和轉(zhuǎn)角進(jìn)行綜合分析。圖5和圖6為活塞二次運(yùn)動(dòng)的繞軸運(yùn)動(dòng)和徑向位移曲線，其中0度時(shí)是爆發(fā)上止點(diǎn)。

圖5 活塞擺角

圖6 活塞徑向位移

有分析結(jié)果可知，兩種偏心方案的最大擺角約為 0.23度，偏心10mm時(shí)，最大擺角發(fā)生在燃燒上止點(diǎn)后38度曲軸轉(zhuǎn)角，而偏心8mm時(shí)，最大擺角時(shí)刻略有提前，為24度曲軸轉(zhuǎn)角。

4.2 活塞敲擊動(dòng)能

活塞敲擊能量是用來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)敲擊、和噪聲重要參數(shù)?；钊麑?duì)缸套的敲擊能量的峰值及循環(huán)內(nèi)的總能量越小越好。如圖7所示，為活塞敲擊動(dòng)能曲線。顯然，偏心10mm時(shí)，敲擊能量峰值發(fā)生在活塞燃燒上止點(diǎn)后 38度曲軸轉(zhuǎn)角，偏心8mm時(shí)，敲擊能量峰值時(shí)刻有所提前為34度曲軸轉(zhuǎn)角，且峰值有所增大。另外，在進(jìn)排氣沖程的上止點(diǎn)及沖程中間時(shí)刻都發(fā)生幾次明顯的敲擊。

圖7 活塞敲擊動(dòng)能

4.3 活塞側(cè)向力

活塞與缸套的側(cè)向力包括兩部分：一部分是缸內(nèi)的壓力作用在活塞頂部，并隨著連桿的擺角的側(cè)向力，這部分載荷隨著缸壓增大而增大；另一部分是活塞換向時(shí)的動(dòng)態(tài)敲擊力，活塞在爆發(fā)上止點(diǎn)、換氣上止點(diǎn)及中間行程的換向中，對(duì)缸套產(chǎn)生敲擊，這部分敲擊力疊加在側(cè)向力上，合成后構(gòu)成對(duì)缸套的合力，兩種不同的曲軸偏心，活塞在全速全負(fù)荷的工況下對(duì)缸套的側(cè)向力，如圖8 所示，曲軸偏心10mm時(shí)，活塞裙部主推力側(cè)最大側(cè)向力為2684.3N,發(fā)生在43度曲軸轉(zhuǎn)角；當(dāng)曲軸偏心減小到8mm時(shí)，活塞裙部主推力側(cè)最大側(cè)向力增加到3112.8N，發(fā)生在39度曲軸轉(zhuǎn)角，但是次推力側(cè)最大側(cè)向力較偏心10mm時(shí)有所減小。如圖8所示，圖9為圖8 的局部放大視圖。

圖8 活塞側(cè)向力

圖9 活塞側(cè)向力局部放大圖

5 結(jié)論

兩種方案對(duì)活塞的最大擺角和徑向位移沒(méi)有明顯的影響；曲軸偏心10mm較偏心8mm的活塞敲擊動(dòng)能有所減小，這對(duì)較小活塞的敲擊噪音是有利的；曲軸偏心10mm時(shí)，活塞裙部主推力面最大側(cè)向力為2684.3N，發(fā)生在43度曲軸轉(zhuǎn)角，當(dāng)曲軸偏心減小到 8mm時(shí)，活塞裙部主推力面最大側(cè)向力發(fā)生在39度曲軸轉(zhuǎn)角，較偏心10mm時(shí)側(cè)向力增加約16%，為 3112.8N，但次推力面最大側(cè)向力較偏心 10mm時(shí)有所減少。

[1] 周龍保,等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 萬(wàn)欣,林大淵.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].天津:天津大學(xué)出版社,1989.

[3] 韓占忠,李敬,蘭小平.流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用（第2版）[M].北京;北京理工大學(xué)出版社,2010.

A kind of piston dynamics analysis

Zhao Shilai, Zhang Zhiguo, Sun Xiuyi
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

The analysis of software is known, When the crankshaft adopts eccentric structure, How much is the eccentric distance, The impact of the piston on the cylinder liner can also affect the lateral force of the piston, The analysis process is described in detail here.

Crankshaft; Lateral force; Piston

U464

A

1671-7988(2017)22-117-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.042

趙世來(lái)，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。

CLC NO.:U464

A

1671-7988(2017)22-117-03