一種活塞動力學分析

趙世來，張治國，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

一種活塞動力學分析

趙世來，張治國，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

通過計算軟件分析得知，當發動機曲軸采用偏心結構時，偏心距離的多少，直接影響到活塞對缸套的敲擊動能，也會影響到活塞對缸套的側向力。這里詳細地闡述分析過程。

曲軸；側向力；活塞

前言

為了對比不同發動機曲軸偏心量對活塞裙部側向力的影響，運用分析軟件對一種發動機活塞組件進行動力學模擬分析，從而為進一步優化設計提供參數。

1 活塞動力學分析模型

發動機活塞運動分析模型包含活塞(單體)、連桿組件、氣缸套、一套活塞環組件、活塞銷，如圖1所示。

2 方案分析

在額定工況下，對兩種不同曲軸偏心進行對比分析。

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 動力學分析模型

3 輸入參數和邊界條件

3.1 發動機基本參數

某發動機基本參數如表1所示。

3.2 活塞基本參數

3.3 活塞冷、熱態型線

根據活塞型線設計圖，結合近似活塞溫度場，分析得到活塞的冷態型線及熱態型線，如圖2所示，并輸入動力學程序中。

表1 發動機基本參數表

表2 活塞參數表

圖2 活塞冷、熱態型線

3.4 缸體熱態型線

由于沒有獲得缸孔冷態變形量、表面溫度及熱變形量數據，根據經驗設定缸套熱態型線，如圖3所示，并將其輸入動力學程序中。

圖3 缸孔熱態型線

3.5 缸體熱態型線

下邊是廠家提供的缸內壓力數據，如圖4所示。

圖4 缸內壓力曲線圖

4 動力學計算結果

4.1 活塞二次運動擺角及位移

活塞在缸套中除了做往復運動之外，在配缸間隙的作用下，活塞在上下止點處將發生從缸套一側向另一側的橫向位移與繞銷軸的旋轉運動，這類稱為活塞的二次運動。若換向過程中位移或轉角過大，將可能導致活塞頭部、環岸高度或裙部邊緣與缸套接觸，造成劃傷或拉缸。因此，有必要結合活塞換向和轉角進行綜合分析。圖5和圖6為活塞二次運動的繞軸運動和徑向位移曲線，其中0度時是爆發上止點。

圖5 活塞擺角

圖6 活塞徑向位移

有分析結果可知，兩種偏心方案的最大擺角約為 0.23度，偏心10mm時，最大擺角發生在燃燒上止點后38度曲軸轉角，而偏心8mm時，最大擺角時刻略有提前，為24度曲軸轉角。

4.2 活塞敲擊動能

活塞敲擊能量是用來評價發動機敲擊、和噪聲重要參數?；钊麑Ω滋椎那脫裟芰康姆逯导把h內的總能量越小越好。如圖7所示，為活塞敲擊動能曲線。顯然，偏心10mm時，敲擊能量峰值發生在活塞燃燒上止點后 38度曲軸轉角，偏心8mm時，敲擊能量峰值時刻有所提前為34度曲軸轉角，且峰值有所增大。另外，在進排氣沖程的上止點及沖程中間時刻都發生幾次明顯的敲擊。

圖7 活塞敲擊動能

4.3 活塞側向力

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

圖8 活塞側向力

圖9 活塞側向力局部放大圖

5 結論

兩種方案對活塞的最大擺角和徑向位移沒有明顯的影響；曲軸偏心10mm較偏心8mm的活塞敲擊動能有所減小，這對較小活塞的敲擊噪音是有利的；曲軸偏心10mm時，活塞裙部主推力面最大側向力為2684.3N，發生在43度曲軸轉角，當曲軸偏心減小到 8mm時，活塞裙部主推力面最大側向力發生在39度曲軸轉角，較偏心10mm時側向力增加約16%，為 3112.8N，但次推力面最大側向力較偏心 10mm時有所減少。

[1] 周龍保,等.內燃機學[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2] 萬欣,林大淵.內燃機設計[M].天津:天津大學出版社,1989.

[3] 韓占忠,李敬,蘭小平.流體工程仿真計算實例與應用（第2版）[M].北京;北京理工大學出版社,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，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事發動機設計工作。

CLC NO.:U464

A

1671-7988(2017)22-117-03