活塞销偏置对活塞二阶运动的影响研究

解现龙， 张保成

（中北大学机械工程与自动化学院，太原030051）

1 引 言

活塞是往复活塞式内燃机的关键零部件之一，其工作情况不仅对内燃机的工作可靠性、经济性有直接影响，还对内燃机的振动噪声特性产生一定影响。活塞敲击噪声是由活塞和气缸套的接触引起，即由活塞二阶运动引起。因此，从控制内燃机噪声的角度来讲，探究活塞结构对活塞二阶运动的影响特性很有必要。鉴于活塞结构参数较为复杂，本文仅就活塞销偏置对活塞二阶运动的影响特性进行研究。

2 基本理论

2.1 活塞二阶运动理论

内燃机活塞运动研究始于1970 年代至1980 年代，研究人员认识到活塞二阶运动的存在。1987 年，K.P.Oh等建立了第一个包括弹性流体润滑的活塞动力学模型，使得活塞二阶运动研究理论得到了显著发展。

1992 年，Zhu D 和Cheng H S 等［1，2］在分析活塞二阶运动过程中，提出了混合润滑模型。该研究使活塞二阶运动研究得到进一步发展，并成为之后活塞二阶运动研究的主要依据。

依据Zhu D 和Cheng H S 提出的混合润滑模型，奥地利AVL 公司开发了针对活塞二阶运动研究的Glide 模块，并得到广泛应用。AVL Glide 在计算过程中能够充分考虑活塞裙部轮廓、活塞销偏置、活塞热变形和弹性变形等因素。

2.2 计算机辅助技术

计算机辅助技术是采用计算机为工具，将计算机用于产品的设计和制造等过程，辅助人们在特定应用领域内完成任务的理论、方法和技术。包括CAD、CAE 和CAM 等。

CAD 技术是近几十年来发展起来的一项新技术。目前已在制造业等行业获得广泛应用。当前，著名的CAD软件主要有AutoCAD、SolidWorks、Pro/E 和UG 等。

CAE 的理论基础主要是有限元方法。其基本思想是将连续物体离散为有限个单元，将连续无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题。CAE 技术现已在内燃机活塞研究中获得广泛应用。当前，著名的CAE 软件包括ANSYS、NASTRAN 和IDEAS 等。

3 研究过程

3.1 研究对象

本文以某型柴油机活塞为研究对象。该柴油机活塞缸径为128mm。该柴油机在2000r/min 转速下的展开示功图如图1 所示。

图1 某型柴油机在2000r/min 下的示功图

3.2 活塞弹性变形分析

图2 活塞刚度矩阵计算取点及编号

在Glide 软件中，活塞的弹性变形用活塞刚度矩阵表示。按照Glide 软件中活塞刚度矩阵的编写方式，取0°（主推力面一侧型线）、30°和60°三条纵向型线上的若干点，作为载荷施加点和变形值读取点，并对各点进行编号，见图2。

活塞刚度矩阵的具体求解过程为：首先，在1 点分别施加2000N 和5000N 的径向力，并分别记录图2 所标记各点的径向变形值；之后，依次分别对其余各点施加相同大小的力，同样记录各点变形值；最后按软件要求格式编写活塞刚度矩阵文件。

以下仅详述在1 点施加2000N 径向力的情况下，各点径向变形值的求解过程。

本文所分析活塞的结构具有对称性，但考虑到载荷的分布不具有对称性，所以仍取全活塞模型进行有限元分析。利用Pro/E 软件建立全活塞实体模型，并将其导入ANSYS 软件，使用SOLID 95 单元对其进行网格划分，得结果如图3 所示。在柱坐标系状态下，限制活塞顶部凹坑的上下运动以及约束对称面的旋转，之后在1 点施加2000N 的径向力。然后进行求解，读取求解结果并绘制活塞径向变形云图，如图4 所示。其中，蓝色部分表示活塞径向尺寸变小区域，而红色部分表示活塞径向尺寸变大区域。由图可知，蓝色区域的变形量明显大于红色区域的变形量，因此可判断分析结果与实际较为相符。最后，记录所需各点的变形值。

图3 活塞有限元模型

图4 活塞径向变形云图

其余情况的求解过程与之相近，可依据上述方法分别进行求解，此处不再赘述。最终，由求得结果编写活塞刚度矩阵。

3.3 活塞热变形分析

依据文献［3］所采用方法，对活塞热变形进行分析。所得活塞温度场分布情况和活塞径向热变形情况分别如图5 和图6 所示。所需各点的径向变形量可从活塞热变形分析结果中读取。

图5 活塞稳态温度场分布

图6 活塞径向热变形

3.4 活塞动力学建模

利用AVL Glide 建立活塞动力学模型。分别取活塞销偏置量为-2mm、-1mm、-0.5mm、0mm、0.5mm 和1mm（活塞销偏置量以偏向主推力面一侧为负值）进行研究。针对不同的活塞销偏置量，分别建立相应的事件（case）。通过对比分析各事件中活塞二阶运动结果，即可分析活塞销偏置对活塞二阶运动的影响。

4 研究结果及分析

依据计算结果，分别绘制不同活塞销偏置量下的活塞横向位移对比图如图7 所示；不同活塞销偏置量下的活塞摆角对比图如图8 所示。

图7 不同活塞销偏置量下的活塞横向位移

图8 不同活塞销偏置量下的活塞摆角

分析上述两图，可得以下结论：

（1）活塞销偏置对活塞摆动的影响比活塞销偏置对活塞横向运动的影响更为显著，所以主要考察活塞销偏置对活塞摆动的影响；

（2）在压缩和做功行程，活塞销偏置对活塞摆动影响较显著，在压缩上止点前后影响最大，且在压缩上止点处，活塞销偏置方向影响活塞摆动方向，活塞销偏置量与活塞摆角呈正相关关系；

（3）活塞在压缩上止点换向时，活塞销采用零偏置，活塞以几近平移的方式运动到主推力面侧，会产生拍击，对噪声控制产生不利影响；活塞销采用正偏置，活塞摆角为负，较硬的活塞头部最先与气缸套接触，对噪声控制亦会产生不利影响；活塞销采用负偏置，活塞摆角为正，较软的活塞裙底部最先与气缸套接触。因而，相对零偏置和正偏置，负偏置对活塞敲击噪声的控制最有利。

5 结 语

综上分析可知，仅从活塞敲击噪声控制的角度考虑，应优先选择活塞销负偏置方式。对本文研究对象而言，选择-0.5mm 作为最优偏置量。

实际设计过程中，活塞偏置量的选择不仅涉及换向时的噪声控制问题，偏置量对活塞组的摩擦损耗等影响也应考虑在内。

［1］ ZHU D，CHENG H S，et al.A numerical analysis for piston skirts in mixed lubrication: part Ⅰ- basic modeling［J］. Journal of Tribology，1992，114：553- 562.

［2］ ZHU D，HU Y Z，et al. A numerical analysis for piston skirts in mixed lubrication: part Ⅱ-Deformation Considerations［J］.Journal of Tribology，1993（115）：125-133.

［3］ 解现龙，张保成.基于有限元方法的柴油机活塞热分析［J］.机械研究与应用，2012，120（4）：10-14.