某汽油發動機活塞拉缸優化分析

胡志勝，李　波，楊　冰，楊洪震

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽　合肥　230601）

Hu Zhisheng，Li Bo，Yang Bing，Yang Hongzhen

某汽油發動機活塞拉缸優化分析

胡志勝，李波，楊冰，楊洪震

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥230601）

Hu Zhisheng，Li Bo，Yang Bing，Yang Hongzhen

摘要：某汽油發動機在交變試驗過程中第4缸發生活塞頭部拉缸故障，為了能夠定量分析活塞與缸套之間的作用力，評價優化方案的改善程度，建立了活塞-活塞銷-連桿-缸體的動力學分析模型，獲得活塞與缸套之間的動態作用力。分析結果表明，采用優化方案后，活塞與缸套之間的作用力在720～1440°CA曲軸轉角范圍內，降低了88％，并且優化后方案順利通過交變試驗驗證，完成質量整改。

關鍵詞：汽油發動機；活塞頭部拉缸；動力學分析

0　引言

發動機拉缸是發動機較為常見的一種故障，一般會出現功率下降、漏氣量增加、機油消耗增加、異響等現象，嚴重時會出現活塞破裂、缸體擊穿等嚴重事故[1]。

發動機活塞拉缸的本質在于活塞與缸套之間的接觸，二者之間發生干摩擦接觸，接觸力是產生拉缸的根本原因，因此定量分析活塞與缸套之間的作用力對于拉缸問題的解決起到關鍵作用。

建立活塞-活塞銷-連桿-缸體的動力學分析模型，獲得活塞與缸套之間的動態作用力，即活塞與缸套之間的作用力隨曲軸轉角的變化關系。通過分析發現，在720～1440°CA曲軸轉角范圍內，活塞與缸套之間的作用力降低88％，大大降低了活塞拉缸的可能性。

在完成活塞拉缸的定量分析后，對優化方案進行交變試驗，試驗順利完成。

1　故障診斷

某汽油機活塞在交變試驗過程中發生拉缸故障，拉缸故障發生在第4缸（減振器為前端，飛輪端為后端），活塞頭部為重點損傷部位，裙部也有一定損傷，如圖1所示。

2　原因分析

活塞頭部出現拉缸故障，根本原因為活塞頭部與缸套之間產生干摩擦接觸，產生干摩擦接觸的原因包括：

1）活塞頭部與缸套之間配合間隙小；

2）燃燒室異常燃燒，導致活塞頭部熱變形增加；

3）缸體第4缸變形異常；

4）活塞型線設計不合理。

除了活塞頂部異常燃燒，其余3個影響因素都體現在動力學分析中。建立活塞-活塞銷-連桿-缸體的動力學模型，可以分析得到不同配缸間隙、缸孔型線、活塞型線對活塞與缸套之間作用力的影響。

3　動力學分析

活塞拉缸動力學分析模型[2]主要包括：缸體、活塞、活塞銷、缸套導向、連桿、連桿大頭軸承、曲軸、主軸承、止推軸承等，動力學分析模型如圖2所示。

本次拉缸出現在第4缸，建立第4缸的活塞、活塞銷、連桿有限元分析模型（如圖3），進行力學縮減，保留節點自由度，見表1。

表1　動力學縮減保留節點自由度

活塞溫度場分布是影響活塞頭部變形的關鍵因素。拉缸故障后，對4個缸的活塞均進行溫度場檢測，圖4為第4缸活塞溫度測量結果，從測試結果看，該活塞頭部溫度分布正常，不存在異常燃燒。

缸孔變形[3]，特別是熱態缸孔變形也是影響活塞與缸套之間接觸的關鍵因素。目前無法通過試驗方法直接獲得缸孔的熱態變形，因此采用缸體缸蓋耦合分析中缸孔熱態變形的分析結果，即在缸體缸蓋上施加螺栓預緊力、溫度場基礎上得到的缸孔熱變形，具體缸孔變形結果如圖5所示。

活塞頭部原設計方案如圖6（a），優化設計方案如圖6（b），活塞裙部型線如圖7所示。優化方案與原方案相比，活塞頭部增加了0.1的橢圓度。

4　結果分析

針對活塞頭部原設計方案及優化設計方案，完成動力學對比分析，獲得活塞與缸套之間作用力隨曲軸轉角變化的關系。

計算中涉及到的坐標系為：x軸為從減振器端指向飛輪端；z軸為缸孔軸線方向，從發動機下端指向缸孔頂部，根據右手定則確定y軸。從上述坐標系定義來看，y軸方向為活塞與缸套之間作用力的主要方向。

圖8為原設計方案活塞頭部與缸套之間的作用力；圖9為優化設計方案活塞頭部與缸套之間的作用力。動力學計算共完成2個周期，由于第1個周期內，整個系統的運動處于不穩定狀態，因此有參考價值的為第2個周期，即720～1440°CA曲軸轉角。

在720～1440°CA曲軸轉角范圍內，原方案中，活塞頭部與缸套之間作用力在y方向達到350N；優化方案中，活塞頭部與缸套之間的作用力在y方向為40N。對比分析，活塞頭部與缸套之間的作用力減少了88％，二者之間的接觸力明顯下降。

活塞在缸套中運動，從理論上來看，活塞頭部與缸套之間不應該發生接觸。優化方案中活塞頭部與缸套之間仍然存在40N的接觸力，這個作用力與活塞和缸套之間的配缸間隙有關。由于配缸間隙是一個范圍，實際計算過程中只有一個值，因此采用配缸間隙的上限值，這樣會完全消除活塞頭部與缸套之間的作用力。

原方案活塞頭部與缸套之間的干摩擦接觸壓力為40MPa；優化方案活塞頭部與缸套之間的干摩擦接觸壓力為10MPa。具體如圖10、圖11所示。

5　結論

1）分析活塞拉缸產生的原因，從配缸間隙、缸孔型線、活塞型線角度查找活塞拉缸原因。

2）建立活塞-活塞銷-連桿-缸體動力學分析模型，獲得活塞與缸套之間的接觸力隨曲軸轉角變化的關系。

3）優化方案與原方案相比，活塞頭部與缸套之間的接觸力下降了88％，證明優化方案是有效的。

4）活塞-活塞銷-連桿-缸體動力學模型能夠定量分析活塞（活塞頭部、裙部）與缸套之間的作用力。

參考文獻

[1]宮立意，趙良學，董學平，等.用有限元法分析活塞拉缸故障[J].內燃機與動力裝置，2011（8）：56-58.

[2]EXCITE_Piston_Rings_Lube_Oil_Consumption_2013.奧地利AVL，2013.

[3]EXCITE_Piston_Rings_Ring_Dynamics_2013.奧地利AVL，2013.

收稿日期：2015-06-24

文章編號：1002-4581（2015）05-0041-04

中圖分類號：U464.133+1

文獻標志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2015.05.011