活塞銷孔偏置對活塞裙部磨損的影響

王全振，王傳厚，孟建*，季宏，孟繁衍，王保力

1.山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049；2.山東泰開汽車制造有限公司，山東 泰安 271000

0 引言

活塞在氣缸中受到周期性變化的氣體壓力、慣性力和摩擦力的作用，其合力在上、下止點附近變換方向，使活塞產(chǎn)生由一側(cè)移向另一側(cè)的橫向運動。發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，活塞的橫向運動對氣缸壁產(chǎn)生強烈撞擊，造成發(fā)動機運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、噪聲過大等問題[1-3]。近年來，國內(nèi)外學者在活塞銷偏置對發(fā)動機噪聲振動、活塞敲擊力等方面開展了相關(guān)研究，表明活塞銷孔適量偏置能夠降低發(fā)動機噪聲振動，減小活塞敲擊力[4-6]。但活塞銷孔偏置也會影響活塞受力和力矩平衡，從而對活塞二階運動、活塞裙部磨損、活塞裙部潤滑產(chǎn)生重要影響。

活塞裙部摩擦不僅受活塞銷孔偏置的影響，還受到活塞裙部型線、裙部剛度、熱變形、缸套變形等參數(shù)的影響[7-10]。本文中根據(jù)實際的活塞溫度場、熱變形、缸套變形等參數(shù)建立某柴油機活塞組件仿真分析模型，分析不同活塞銷孔偏置距離對活塞擺角、側(cè)向力、活塞裙部摩擦損失功率、活塞裙部接觸壓力和磨損載荷等方面的影響規(guī)律，為活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 活塞裙部磨損模型

試驗用柴油機主要技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。活塞材料為鋁合金。活塞冷態(tài)裙部曲線如圖1所示，圖中0°表示活塞主推力側(cè)方向，90°表示活塞銷孔軸線方向。

表1 柴油機主要技術(shù)性能參數(shù)

圖1 活塞裙部冷態(tài)下的輪廓曲線

采用硬度塞法測試活塞溫度。硬度塞安裝位置如圖2所示，共布置23個測點，其中測點1在燃燒室中心，2、3、4、5位于燃燒室底部，6、7、8、9位于喉口，10、11、12、13位于活塞頂，14、15、16、17位于火力岸，18、19、20、21位于第二環(huán)岸，22、23位于銷孔內(nèi)側(cè)，其中喉口處硬度塞與活塞中心垂線的安裝夾角為25.3°，銷孔處硬度塞與活塞中心垂線的安裝夾角為16°。

a)主視圖 b)左視圖

活塞表面各測點平均溫度如表2所示。

表2 活塞各表面測點平均溫度

在ANSYS軟件中根據(jù)活塞實測溫度計算得到活塞裙部熱變形如圖3所示，圖中定義裙部相對高度為裙部測點至活塞第三環(huán)槽的距離。使用缸孔輪廓測量儀測出的缸套安裝變形如圖4所示。

圖3 活塞裙部熱變形 圖4 活塞缸套安裝變形

以硬度塞法測得的溫度及缸孔輪廓測量儀測得的缸套變形、活塞裙部冷態(tài)輪廓、活塞熱變形作為動力學仿真的邊界條件，在發(fā)動機額定工況下，對某活塞不同活塞銷孔偏置進行仿真計算，研究活塞銷偏置對活塞裙部磨損、側(cè)向力等的影響。本文中定義：活塞銷孔向次推力側(cè)偏置時為正，向主推力側(cè)偏置時為負；曲軸轉(zhuǎn)角0°為柴油機燃燒上止點。本文中共研究活塞銷孔偏置分別為0.5、0、-0.3、-0.5、-0.7 mm 對活塞敲擊擺動及其摩擦損失等性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 活塞擺角

不同活塞銷孔偏置量對活塞擺角的影響如圖5所示。由圖5可知，活塞銷孔偏置為0.5、0、-0.3、-0.5、-0.7 mm時的最大活塞擺角分別為0.510°、0.138°、0.393°、0.483°、0.494°，最大擺角位置出現(xiàn)在壓縮上止點后0°～20°。活塞銷孔偏置直接影響活塞最大擺角方向、大小及出現(xiàn)位置，隨著活塞銷孔在主推力側(cè)偏置距離的增加(由0增加到0.7 mm)，活塞最大擺角增大，最大擺角出現(xiàn)位置越接近壓縮上止點。活塞銷孔由主推力側(cè)向次推力側(cè)偏置時，活塞擺動方向也發(fā)生改變。偏置距離都為0.5 mm時，最大擺角向次推力側(cè)偏置最大。銷孔偏置量為0時，活塞最大擺角最小，且最大擺角峰值出現(xiàn)的位置不明顯。

圖5 活塞銷孔偏置對活塞擺角的影響

2.2 側(cè)向力

不同活塞銷孔偏置下的活塞側(cè)向力如圖6所示。由圖6可知，活塞銷孔偏置對側(cè)向力的影響規(guī)律基本一致，在上止點附近側(cè)向力方向發(fā)生改變，且出現(xiàn)2個峰值，分別出現(xiàn)在燃燒上止點前、后曲軸轉(zhuǎn)角20°處，上止點后的側(cè)向力更大。活塞銷孔偏置為0.5、0、-0.3、-0.5、-0.7 mm時的最大側(cè)向力分別為7192、7344、8310、8264、8082 N，均出現(xiàn)在上止點后、曲軸轉(zhuǎn)角20°附近。偏置距離均為0.5 mm，活塞銷孔向次推力側(cè)偏置時的側(cè)向力(7192 N)小于往主推力側(cè)偏置時的側(cè)向力(8264 N)，表明偏置距離相等時，向次推力側(cè)偏置時最大側(cè)向力較小。隨著活塞銷孔向主推力側(cè)偏置的增大，活塞最大側(cè)向力先增大后減小，當偏置距離為-0.3 mm時，側(cè)向力最大，為8310 N。

圖6 活塞銷孔偏置對側(cè)向力的影響

2.3 裙部摩擦損失功率

活塞銷孔偏置對活塞裙部摩擦損失功率的影響如圖7所示。由圖7可知，活塞銷孔偏置對壓縮上止點附近的摩擦損失功率影響顯著，在一個循環(huán)內(nèi)，摩擦損失功率出現(xiàn)多個峰值，分別出現(xiàn)在上止點前、后，其中最大裙部摩擦損失功率均出現(xiàn)在壓縮上止點后的曲軸轉(zhuǎn)角30°內(nèi)，但最大摩擦損失功率出現(xiàn)位置的規(guī)律不明顯。活塞銷孔偏置0.5 mm時，在壓縮上止點后、曲軸轉(zhuǎn)角20°時，摩擦損失功率最大，為2013 W；當活塞銷孔偏置-0.7、-0.5 mm時，摩擦損失功率出現(xiàn)2個明顯的峰值，一個出現(xiàn)在壓縮上止點前曲軸轉(zhuǎn)角10°附近，另一個出現(xiàn)在壓縮上止點后曲軸轉(zhuǎn)角20°附近；當活塞銷孔偏置為0時，摩擦損失功率最小，為695 W，出現(xiàn)在壓縮上止點后曲軸轉(zhuǎn)角10°處。

圖7 不同活塞銷孔偏置的活塞裙部摩擦損失功率

2.4 活塞裙部壓力

不同活塞銷孔偏置對活塞裙部接觸壓力的影響云圖如圖8所示。定義：180°為主推力側(cè)，0°為次推力側(cè)；裙部相對高度為測點至活塞底部的距離。

圖8 活塞銷孔偏置對裙部接觸壓力影響

由圖8可知：活塞銷孔偏置距離和方向?qū)钊共拷佑|壓力及其分布有顯著影響。隨著活塞銷孔偏置由0.5 mm逐漸變化到-0.7 mm，活塞裙部最大接觸壓力先減小再逐漸增大，分別為34.57、15.45、15.96、21.65、22.58 MPa;活塞裙部最大接觸壓力出現(xiàn)位置由主推力側(cè)向次推力側(cè)過渡，活塞偏置為0.5 mm和0時，最大接觸壓力出現(xiàn)在活塞主推力側(cè)的裙部中上部，活塞偏置為-0.3、-0.5、-0.7 mm時，最大接觸壓力出現(xiàn)在活塞次推力側(cè)的裙部中上部，且隨著偏置距離的增加而增大。隨著活塞銷孔向主推力側(cè)偏置，接觸壓力分布出現(xiàn)由集中到分散再到集中的變化過程，偏置為0和0.5 mm時，接觸壓力主要分布在活塞主推力側(cè)的裙部中上部，且分布區(qū)域較小；活塞銷孔向主推力側(cè)偏置時，接觸壓力在主、次推力面均有分布，雖然最大接觸壓力分布在次推力側(cè)，但與主推力面上的最大接觸壓力之差較小，而且差值隨著偏置距離的增加而增大；當活塞銷孔偏置-0.3 mm時，主、次推力側(cè)最大壓力差最小為1.5 MPa，此時壓力分布區(qū)域面積最大，壓力分布最均勻。

2.5 磨損載荷

活塞銷孔偏置量對活塞磨損載荷的影響云圖如圖9所示。

圖9 活塞銷孔偏置對磨損載荷的影響

由圖9可知：活塞銷孔偏置距離和方向?qū)δp載荷及其分布區(qū)域有著顯著影響。隨著活塞銷孔向主推力側(cè)偏置，活塞裙部最大磨損載荷先減小再逐漸增大，分別為1.459、0.102、0.031、0.199、0.237 MW/m2。隨著活塞銷孔是由次推力側(cè)向主推力側(cè)偏置，活塞裙部最大磨損載荷位置由主推力側(cè)向次推力側(cè)過渡，活塞銷孔偏置0.5、0和-0.3 mm時，最大磨損載荷出現(xiàn)在活塞主推力側(cè)的裙部中上部；活塞銷孔偏置-0.5、-0.7 mm時，最大磨損載荷出現(xiàn)在活塞次推力側(cè)的裙部中上部。隨著活塞銷孔向主推力側(cè)偏置，磨損載荷分布區(qū)域呈現(xiàn)由小到大再變小的趨勢，分布區(qū)域形狀呈現(xiàn)由線形向馬鞍形再到線形的變化趨勢，銷孔偏置-0.3 mm時，磨損載荷分布區(qū)域最廣，在主、次推力側(cè)均有分布；銷孔偏置0.5 mm時，磨損區(qū)域最小，呈線形分布在活塞主推力側(cè)。

3 結(jié)論

1)活塞偏置小于0時，隨著活塞銷孔偏置的增加最大活塞擺角增大，偏置距離相等時，向次推力側(cè)偏置時的活塞擺角高于向主推力側(cè)偏置時。

2)活塞受到的最大側(cè)向力均出現(xiàn)在壓縮上止點后、曲軸轉(zhuǎn)角20°附近。

3)摩擦損失功率隨著偏置量增加而增大，但最大摩擦損失功率出現(xiàn)位置的規(guī)律不明顯。

4)隨著活塞銷孔由次推力側(cè)向主推力側(cè)偏置，活塞裙部最大接觸壓力和最大磨損載荷均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，偏置量為0時最大接觸壓力最小，為15.45 MPa，偏置量為-0.3 mm時，最大磨損載荷最小，為31.4 kW/m2；在活塞銷孔向次推力側(cè)偏置時(偏置量為0.5 mm)，最大接觸壓力和最大磨損載荷最大，分別為34.57 MPa和1459 kW/m2。

5)隨著活塞銷孔由次推力側(cè)向主推力側(cè)偏置，活塞裙部最大接觸壓力位置和最大載荷位置由主推力側(cè)向次推力側(cè)過渡。