六缸發動機活塞動力學建模與數值仿真研究

李 恒，周 濤，劉國斌

（中國航天科工六院41所，呼和浩特 010010）

六缸發動機活塞動力學建模與數值仿真研究

李 恒，周 濤，劉國斌

（中國航天科工六院41所，呼和浩特 010010）

本文在考慮活塞二階運動與曲軸在主軸承中的徑向運動的基礎上，對新型發動機的曲軸連桿活塞系統進行動力學建模，建立了活塞缸套間的流體動壓模型、曲軸主軸承間的流體動壓模型，然后對整體模型進行進行綜合求解，在確定計算流程之后，由此算法編制For tran語言進行求解，得到活塞二階運動的變化規律以及曲軸在主軸承中的徑向運動規律。

二階運動；動力學建模；數值仿真

隨著全球環境問題日益嚴重和能源的不斷枯竭，提高發動機的性能，研發新型高效率低能耗的發動機已經成為必然趨勢。而作為發動機中主要的動力機構，曲軸連桿活塞系統在整機中占有極其重要的地位，其動力學學性能直接影響到了發動機工作的可靠性和耐久性。所以對于某一型號新型發動機，對其核心部件曲軸連桿系統做動力學分析就顯得極其重要了，本文就針對某一新型發動機，對其特殊的曲軸連桿活塞系統，做動力學建模并進行數值模擬，從而得到其動力學參數。

1 系統動力學建模

1.1 活塞受力分析［2］［3］

對曲軸、連桿、活塞分別進行運動學、受力分析以后，通過彼此之間的幾何關系約束，作用力反作用力關系，可以消去中間量，將活塞的往復運動、連桿運動、曲軸運動均用曲軸處的表示，然后結合活塞的二階運動，從而得到整體系統動力學。

1.2 活塞缸套系統流體動壓建模

Patir Nadir和Cheng H.S在1978年提出的模型［4］，經吳承偉教授改進，含有接觸因子、壓力流量因子和剪切流量因子的普通雷諾方程適用于本文模型，經過必要的簡化和假設，結果具體模型，可以得到活塞-缸套系統的平均流量模型雷諾方程簡化為：

該方程中，所有粗糙度和接觸變形對動壓潤滑的影響都歸結于四個因素：，，，。，，分別為兩個方向的壓力流量因子以及剪切流量因子，是表面粗糙度紋向參數γ和膜厚比的函數，為接觸因子，為膜厚比的函數，與粗糙度紋向參數無關。為活塞的半徑；θ為活塞周向角度；為油膜的厚度，可以通過活塞的二階運動參數來表示；為缸套軸向方向；η為潤滑油的粘度；為平均流體壓力；為時間；為活塞的軸向速度；為活塞的橫向速度。

1.3 曲軸主軸承系統流體動壓建模

在建立曲軸活塞連桿系統動力學模型、活塞缸套流體動壓模型、曲軸主軸承流體動壓模型之后，系統整體模型就建立完畢。

2 數值模擬

求解方法確定。

求解雷諾方程，運用有限差分法進行差分，然后用SOR超松弛迭代法進行迭代求解，可以求得油膜壓力的分布，然后在活塞表面對壓力分布進行積分，得到油膜對活塞的側向壓力和摩擦阻力。

根據所建立的曲軸連桿活塞動力學模型、活塞缸套流體動壓模型、曲軸主軸承流體動壓模型，結合具體的發動機模型，按照所確定的算法和求解流程，進行編程求解，得到活塞二階運動以及活塞、曲軸受的油膜力。

3 計算結果分析

3.1 活塞二階運動結果分析

通過對模型的編程求解，可以得到六組活塞的二階運動規律及六組活塞所受的油膜側向力以及摩擦阻力的變化情況，由于活塞的二階運動主要受到燃爆力和慣性力的綜合作用，所以六組活塞的二階運動及受力情況變化規律基本類似，相差一定的相位角，而計算結果也說明這個趨勢，所以此處重點分析其中一組活塞的二階運動與所受油膜側向力、摩擦阻力的變化規律。

可以看出，在發動機的工作循環過程中，活塞不僅要在缸套內做往復運動，而且要做橫向的微小平動和偏擺，即大部分的時候，或者并不處于缸套的中心位置，而是處于兩側比較靠近活塞缸壁的位置，由圖6可以知道，在一個周期內，活塞要經過四次換向，在70°左右的時候，活塞靠近缸套的右壁，且偏擺角為正，活塞裙部上端更接近于缸壁，在300°左右的時候，活塞靠近缸套的左壁，且偏擺角為負，所以活塞裙部的上端更接近與缸壁，在345°左右的時候，活塞的橫向位移和偏擺量均達到最大，活塞在此刻迅速靠近缸套的右壁，且在短時間內快速大幅度的變向，因為此刻活塞正處于315°—495°做功沖程，活塞快速從缸套左側接近缸套的右壁，活塞的二階運動在此刻達到最大，橫向位移的最大值為0.05mm。在570°左右的時候，活塞靠近缸套的左壁。由以上的曲線變化可以知道，活塞在整個運行過程中，更接近于右壁。

4 結束語

本文對曲軸、六組連桿活塞、主軸承、缸套整體系統進行了動力學建模，并進行數值模擬，求解得到活塞二階運動的規律，得到對實際設計有指導意義的結果。在以后的研究中，作者將使用動力學仿真軟件adams對系統進行仿真，與數值模擬結果進行比較，驗證修正模型，在后續分析中，模型將加入溫度的影響因素，并考慮活塞環的影響，使模型更接近與真實情況。

【參考文獻】

［1］劉延柱.高等動力學［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］郭磊，郝志勇，張鵬偉，劉波.活塞動力學二階運動的仿真方法與試驗研究［J］.內燃機工程，2009；30（6）：41-47.

［3］張文平，李全，鄒德全.活塞二階運動過程及活塞刮擦力分析［J］.哈爾濱工程大學學報，2005；26（4）：493-497.