活塞銷偏置對活塞二階運動的影響研究

解現龍， 張保成

（中北大學機械工程與自動化學院，太原030051）

1 引 言

活塞是往復活塞式內燃機的關鍵零部件之一，其工作情況不僅對內燃機的工作可靠性、經濟性有直接影響，還對內燃機的振動噪聲特性產生一定影響。活塞敲擊噪聲是由活塞和氣缸套的接觸引起，即由活塞二階運動引起。因此，從控制內燃機噪聲的角度來講，探究活塞結構對活塞二階運動的影響特性很有必要。鑒于活塞結構參數較為復雜，本文僅就活塞銷偏置對活塞二階運動的影響特性進行研究。

2 基本理論

2.1 活塞二階運動理論

內燃機活塞運動研究始于1970 年代至1980 年代，研究人員認識到活塞二階運動的存在。1987 年，K.P.Oh等建立了第一個包括彈性流體潤滑的活塞動力學模型，使得活塞二階運動研究理論得到了顯著發展。

1992 年，Zhu D 和Cheng H S 等［1，2］在分析活塞二階運動過程中，提出了混合潤滑模型。該研究使活塞二階運動研究得到進一步發展，并成為之后活塞二階運動研究的主要依據。

依據Zhu D 和Cheng H S 提出的混合潤滑模型，奧地利AVL 公司開發了針對活塞二階運動研究的Glide 模塊，并得到廣泛應用。AVL Glide 在計算過程中能夠充分考慮活塞裙部輪廓、活塞銷偏置、活塞熱變形和彈性變形等因素。

2.2 計算機輔助技術

計算機輔助技術是采用計算機為工具，將計算機用于產品的設計和制造等過程，輔助人們在特定應用領域內完成任務的理論、方法和技術。包括CAD、CAE 和CAM 等。

CAD 技術是近幾十年來發展起來的一項新技術。目前已在制造業等行業獲得廣泛應用。當前，著名的CAD軟件主要有AutoCAD、SolidWorks、Pro/E 和UG 等。

CAE 的理論基礎主要是有限元方法。其基本思想是將連續物體離散為有限個單元，將連續無限自由度問題轉化為離散的有限自由度問題。CAE 技術現已在內燃機活塞研究中獲得廣泛應用。當前，著名的CAE 軟件包括ANSYS、NASTRAN 和IDEAS 等。

3 研究過程

3.1 研究對象

本文以某型柴油機活塞為研究對象。該柴油機活塞缸徑為128mm。該柴油機在2000r/min 轉速下的展開示功圖如圖1 所示。

圖1 某型柴油機在2000r/min 下的示功圖

3.2 活塞彈性變形分析

圖2 活塞剛度矩陣計算取點及編號

在Glide 軟件中，活塞的彈性變形用活塞剛度矩陣表示。按照Glide 軟件中活塞剛度矩陣的編寫方式，取0°（主推力面一側型線）、30°和60°三條縱向型線上的若干點，作為載荷施加點和變形值讀取點，并對各點進行編號，見圖2。

活塞剛度矩陣的具體求解過程為：首先，在1 點分別施加2000N 和5000N 的徑向力，并分別記錄圖2 所標記各點的徑向變形值；之后，依次分別對其余各點施加相同大小的力，同樣記錄各點變形值；最后按軟件要求格式編寫活塞剛度矩陣文件。

以下僅詳述在1 點施加2000N 徑向力的情況下，各點徑向變形值的求解過程。

本文所分析活塞的結構具有對稱性，但考慮到載荷的分布不具有對稱性，所以仍取全活塞模型進行有限元分析。利用Pro/E 軟件建立全活塞實體模型，并將其導入ANSYS 軟件，使用SOLID 95 單元對其進行網格劃分，得結果如圖3 所示。在柱坐標系狀態下，限制活塞頂部凹坑的上下運動以及約束對稱面的旋轉，之后在1 點施加2000N 的徑向力。然后進行求解，讀取求解結果并繪制活塞徑向變形云圖，如圖4 所示。其中，藍色部分表示活塞徑向尺寸變小區域，而紅色部分表示活塞徑向尺寸變大區域。由圖可知，藍色區域的變形量明顯大于紅色區域的變形量，因此可判斷分析結果與實際較為相符。最后，記錄所需各點的變形值。

圖3 活塞有限元模型

圖4 活塞徑向變形云圖

其余情況的求解過程與之相近，可依據上述方法分別進行求解，此處不再贅述。最終，由求得結果編寫活塞剛度矩陣。

3.3 活塞熱變形分析

依據文獻［3］所采用方法，對活塞熱變形進行分析。所得活塞溫度場分布情況和活塞徑向熱變形情況分別如圖5 和圖6 所示。所需各點的徑向變形量可從活塞熱變形分析結果中讀取。

圖5 活塞穩態溫度場分布

圖6 活塞徑向熱變形

3.4 活塞動力學建模

利用AVL Glide 建立活塞動力學模型。分別取活塞銷偏置量為-2mm、-1mm、-0.5mm、0mm、0.5mm 和1mm（活塞銷偏置量以偏向主推力面一側為負值）進行研究。針對不同的活塞銷偏置量，分別建立相應的事件（case）。通過對比分析各事件中活塞二階運動結果，即可分析活塞銷偏置對活塞二階運動的影響。

4 研究結果及分析

依據計算結果，分別繪制不同活塞銷偏置量下的活塞橫向位移對比圖如圖7 所示；不同活塞銷偏置量下的活塞擺角對比圖如圖8 所示。

圖7 不同活塞銷偏置量下的活塞橫向位移

圖8 不同活塞銷偏置量下的活塞擺角

分析上述兩圖，可得以下結論：

（1）活塞銷偏置對活塞擺動的影響比活塞銷偏置對活塞橫向運動的影響更為顯著，所以主要考察活塞銷偏置對活塞擺動的影響；

（2）在壓縮和做功行程，活塞銷偏置對活塞擺動影響較顯著，在壓縮上止點前后影響最大，且在壓縮上止點處，活塞銷偏置方向影響活塞擺動方向，活塞銷偏置量與活塞擺角呈正相關關系；

（3）活塞在壓縮上止點換向時，活塞銷采用零偏置，活塞以幾近平移的方式運動到主推力面側，會產生拍擊，對噪聲控制產生不利影響；活塞銷采用正偏置，活塞擺角為負，較硬的活塞頭部最先與氣缸套接觸，對噪聲控制亦會產生不利影響；活塞銷采用負偏置，活塞擺角為正，較軟的活塞裙底部最先與氣缸套接觸。因而，相對零偏置和正偏置，負偏置對活塞敲擊噪聲的控制最有利。

5 結 語

綜上分析可知，僅從活塞敲擊噪聲控制的角度考慮，應優先選擇活塞銷負偏置方式。對本文研究對象而言，選擇-0.5mm 作為最優偏置量。

實際設計過程中，活塞偏置量的選擇不僅涉及換向時的噪聲控制問題，偏置量對活塞組的摩擦損耗等影響也應考慮在內。

［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］ 解現龍，張保成.基于有限元方法的柴油機活塞熱分析［J］.機械研究與應用，2012，120（4）：10-14.