解現(xiàn)龍， 張保成

（中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，太原030051）

1 引 言

活塞是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，其工作情況不僅對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作可靠性、經(jīng)濟(jì)性有直接影響，還對(duì)內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)噪聲特性產(chǎn)生一定影響?；钊脫粼肼暿怯苫钊蜌飧滋椎慕佑|引起，即由活塞二階運(yùn)動(dòng)引起。因此，從控制內(nèi)燃機(jī)噪聲的角度來(lái)講，探究活塞結(jié)構(gòu)對(duì)活塞二階運(yùn)動(dòng)的影響特性很有必要。鑒于活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)較為復(fù)雜，本文僅就活塞銷偏置對(duì)活塞二階運(yùn)動(dòng)的影響特性進(jìn)行研究。

2 基本理論

2.1 活塞二階運(yùn)動(dòng)理論

內(nèi)燃機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)研究始于1970 年代至1980 年代，研究人員認(rèn)識(shí)到活塞二階運(yùn)動(dòng)的存在。1987 年，K.P.Oh等建立了第一個(gè)包括彈性流體潤(rùn)滑的活塞動(dòng)力學(xué)模型，使得活塞二階運(yùn)動(dòng)研究理論得到了顯著發(fā)展。

1992 年，Zhu D 和Cheng H S 等［1，2］在分析活塞二階運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，提出了混合潤(rùn)滑模型。該研究使活塞二階運(yùn)動(dòng)研究得到進(jìn)一步發(fā)展，并成為之后活塞二階運(yùn)動(dòng)研究的主要依據(jù)。

依據(jù)Zhu D 和Cheng H S 提出的混合潤(rùn)滑模型，奧地利AVL 公司開發(fā)了針對(duì)活塞二階運(yùn)動(dòng)研究的Glide 模塊，并得到廣泛應(yīng)用。AVL Glide 在計(jì)算過(guò)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(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)為工具，將計(jì)算機(jī)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造等過(guò)程，輔助人們?cè)谔囟☉?yīng)用領(lǐng)域內(nèi)完成任務(wù)的理論、方法和技術(shù)。包括CAD、CAE 和CAM 等。

CAD 技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。目前已在制造業(yè)等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，著名的CAD軟件主要有AutoCAD、SolidWorks、Pro/E 和UG 等。

CAE 的理論基礎(chǔ)主要是有限元方法。其基本思想是將連續(xù)物體離散為有限個(gè)單元，將連續(xù)無(wú)限自由度問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題。CAE 技術(shù)現(xiàn)已在內(nèi)燃機(jī)活塞研究中獲得廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，著名的CAE 軟件包括ANSYS、NASTRAN 和IDEAS 等。

3 研究過(guò)程

3.1 研究對(duì)象

本文以某型柴油機(jī)活塞為研究對(duì)象。該柴油機(jī)活塞缸徑為128mm。該柴油機(jī)在2000r/min 轉(zhuǎn)速下的展開示功圖如圖1 所示。

圖1 某型柴油機(jī)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(jì)算取點(diǎn)及編號(hào)

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(cè)型線）、30°和60°三條縱向型線上的若干點(diǎn)，作為載荷施加點(diǎn)和變形值讀取點(diǎn)，并對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，見圖2。

活塞剛度矩陣的具體求解過(guò)程為：首先，在1 點(diǎn)分別施加2000N 和5000N 的徑向力，并分別記錄圖2 所標(biāo)記各點(diǎn)的徑向變形值；之后，依次分別對(duì)其余各點(diǎn)施加相同大小的力，同樣記錄各點(diǎn)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(diǎn)施加2000N 徑向力的情況下，各點(diǎn)徑向變形值的求解過(guò)程。

本文所分析活塞的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，但考慮到載荷的分布不具有對(duì)稱性，所以仍取全活塞模型進(jìn)行有限元分析。利用Pro/E 軟件建立全活塞實(shí)體模型，并將其導(dǎo)入ANSYS 軟件，使用SOLID 95 單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得結(jié)果如圖3 所示。在柱坐標(biāo)系狀態(tài)下，限制活塞頂部凹坑的上下運(yùn)動(dòng)以及約束對(duì)稱面的旋轉(zhuǎn)，之后在1 點(diǎn)施加2000N 的徑向力。然后進(jìn)行求解，讀取求解結(jié)果并繪制活塞徑向變形云圖，如圖4 所示。其中，藍(lán)色部分表示活塞徑向尺寸變小區(qū)域，而紅色部分表示活塞徑向尺寸變大區(qū)域。由圖可知，藍(lán)色區(qū)域的變形量明顯大于紅色區(qū)域的變形量，因此可判斷分析結(jié)果與實(shí)際較為相符。最后，記錄所需各點(diǎn)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(guò)程與之相近，可依據(jù)上述方法分別進(jìn)行求解，此處不再贅述。最終，由求得結(jié)果編寫活塞剛度矩陣。

3.3 活塞熱變形分析

依據(jù)文獻(xiàn)［3］所采用方法，對(duì)活塞熱變形進(jìn)行分析。所得活塞溫度場(chǎng)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(diǎn)的徑向變形量可從活塞熱變形分析結(jié)果中讀取。

圖5 活塞穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布

圖6 活塞徑向熱變形

3.4 活塞動(dòng)力學(xué)建模

利用AVL Glide 建立活塞動(dòng)力學(xué)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(cè)為負(fù)值）進(jìn)行研究。針對(duì)不同的活塞銷偏置量，分別建立相應(yīng)的事件（case）。通過(guò)對(duì)比分析各事件中活塞二階運(yùn)動(dòng)結(jié)果，即可分析活塞銷偏置對(duì)活塞二階運(yùn)動(dòng)的影響。

4 研究結(jié)果及分析

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別繪制不同活塞銷偏置量下的活塞橫向位移對(duì)比圖如圖7 所示；不同活塞銷偏置量下的活塞擺角對(duì)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(jié)論：

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

（2）在壓縮和做功行程，活塞銷偏置對(duì)活塞擺動(dòng)影響較顯著，在壓縮上止點(diǎn)前后影響最大，且在壓縮上止點(diǎn)處，活塞銷偏置方向影響活塞擺動(dòng)方向，活塞銷偏置量與活塞擺角呈正相關(guān)關(guān)系；

（3）活塞在壓縮上止點(diǎn)換向時(shí)，活塞銷采用零偏置，活塞以幾近平移的方式運(yùn)動(dòng)到主推力面?zhèn)龋瑫?huì)產(chǎn)生拍擊，對(duì)噪聲控制產(chǎn)生不利影響；活塞銷采用正偏置，活塞擺角為負(fù)，較硬的活塞頭部最先與氣缸套接觸，對(duì)噪聲控制亦會(huì)產(chǎn)生不利影響；活塞銷采用負(fù)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(duì)零偏置和正偏置，負(fù)偏置對(duì)活塞敲擊噪聲的控制最有利。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上分析可知，僅從活塞敲擊噪聲控制的角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇活塞銷負(fù)偏置方式。對(duì)本文研究對(duì)象而言，選擇-0.5mm 作為最優(yōu)偏置量。

實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，活塞偏置量的選擇不僅涉及換向時(shí)的噪聲控制問(wèn)題，偏置量對(duì)活塞組的摩擦損耗等影響也應(yīng)考慮在內(nèi)。

［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(xiàn)龍，張保成.基于有限元方法的柴油機(jī)活塞熱分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012，120（4）：10-14.