柴油机活塞二阶运动仿真分析

张丽强，张翼，付月磊

（中北大学机电工程学院车辆与动力工程系，太原030051）

柴油机活塞二阶运动仿真分析

张丽强，张翼，付月磊

（中北大学机电工程学院车辆与动力工程系，太原030051）

对柴油机活塞二阶运动进行计算分析，要考虑到活塞、缸套的热变形和安装工况下的变形等多方面的因素。计算了活塞和缸套的温度场及热变形，然后对活塞的二阶运动进行了分析，并对结构进行了评价，为活塞进一步的优化提供了参考。

柴油机活塞二阶运动仿真分析

1 引言

活塞是发动机工作条件最苛刻的零件之一，它在高速往复运动中传递着整个发动机的原动力，承受着极高的机械负荷和热负荷，活塞是制约发动机进一步强化的瓶颈之一。活塞受力情况复杂，在爆发压力、惯性力、连杆力、侧推力及各种摩擦力等的作用下，除作往复直线运动外，还有横向平移和绕活塞销轴的摆动，此两种运动共称为活塞的二阶运动。虽然二阶运动不是很大，但对内燃机的噪声、振动、功率损失却是不能忽略的影响因素[1]。

本文通过AVL GLIDE软件对某机型柴油机活塞二阶运动进行了仿真分析，考虑到活塞和缸套的热变形，缸套在安装工况下变形，获得了一个工作循环内活塞在缸套中的瞬时运动特性、活塞与缸套之间的接触力，为优化活塞外轮廓形线提供了理论依据。

2 活塞的二阶运动[2]

图1所示为活塞的受力模型。根据活塞的受力状况，以活塞销孔中心为坐标原点，以水平主推力面指向副推力面作为轴正向，竖直向下为轴的正向建立笛卡尔坐标系，由此列出活塞运动平衡方程。

其中，gas为爆发压力，CR为连杆力，h为油膜压力，h为缸壁对活塞裙部的摩擦力，h为由油膜压力引起的绕活塞销的转矩，rz、ry分别为当量环对活塞法向力和切向力，为活塞的质量，为活塞绕销的转动惯量，为活塞的名义直径，1、2，和分别为图1所示的距离，i为往复惯性力。由上可以看出活塞的二阶运动与活塞裙部的油膜压力分布耦合在一起，使得方程很难用解析法求解。

图1 活塞的受力模型

3 分析过程

3.1 分析总流程图

缸内工作状况可以采用BOOST模块进行仿真计算，缸内的爆发压力和温度也可以通过测量获得，本文采用的数据是由测量得到的。这些数据要作为活塞和缸套温度场计算提供边界条件，同时为最后的动力学仿真提供数据。基本参数的输入包括该型号发动机的转速、缸径等，而活塞、连杆等的质心位置、惯量可以通过三维CAD模型计算得到。活塞的二阶运动分析流程如图2所示。

3.2 活塞径向刚度矩阵的求解

活塞刚度表示的是某一区域在外载作用下的弹性变形能力，活塞刚度会影响活塞运动和受力状态。GLIDE软件仅考虑活塞的径向刚度，就是在活塞上取点，给任一点加径向力，看各点的径向位移。取点位置一般考虑活塞的对称性，在0°～180°范围内取点，0°为垂直于销孔平面上主推力面侧，角度的选取要合理，在该角度活塞高度方向上取一系列的点，形成一个阵列，参见图3。径向变形可以通过测量和有限元的方法得到，推荐使用有限元方法，求解简便、精度高，特别是无实物的时候。本文由于活塞销未偏置，所以在活塞的0°、30°和60°处取点，分别在各节点上分两次加载2 kN和5 kN的径向力，然后得出各节点的径向位移，然后编辑活塞的刚度矩阵。

图2 活塞的二阶运动分析流程

图3 活塞径向刚度矩阵取点位置

3.3 活塞温度场和热变形的求解[3]

活塞温度场的分析取决于所给定的边界条件，本文采用经验公式确定热边界条件，温度场的计算采用第三类边界条件，并分区确定。燃烧室内平均温度为858℃，平均换热系数为1 021 W/m2K，活塞裙部和环槽处边界条件采用多层平壁传热模型。图4为活塞温度场计算结果容；图5为活塞的径向变形，左侧为销孔向的变形，右侧为垂直于销孔向的变形。

图4 活塞温度场计算结果

图5 活塞径向变形示意图

活塞的最高温度为346℃，出现在火力岸附近。最大径向变形为0.476 mm，出现在活塞顶，总体变形呈中凹形，不利于形成良好的润滑环境，所以活塞一般设计成中凸型的，保证热变形后仍能形成良好的润滑环境。这里得出的变形将用于后面的计算。

3.4 缸套温度场和热变形的计算[4]

缸套温度场计算时仍采用第三边界条件，缸内温度和热系数沿着缸中心线方向变化，采用经验公式可计算得到轴向距气缸顶部各高度的缸内温度和换热系数，缸套与机体间的换热系数由二者之间的接触热阻决定，本文取116 W/m2K，其他边界依照经验确定，计算结果如图6和图7所示。缸套的最高温度为238℃，位置在缸套顶内侧。缸套的径向变形为0.207 mm，中间段有所减小，这是由于冷却水段温度低造成的，大致走向如图7所示。

安装工况下的变形也可以用有限元方法求解，由于有限元计算结果受边界条件影响太大，尤其是气缸垫的非线性特性很难确定。本文采用实测方法得到，在轴向上，缸套自上而下变形逐渐增大，依次为0.03 mm、0.04 mm、0.06 mm，缸套总体类似于上小下大的喇叭状。

4 活塞的二阶运动计算结果与分析

图6 缸套的温度场

图7 缸套的变形量

对活塞的二阶运动进行计算分析，包括活塞的径向平移和绕活塞销轴的摆动，同时还考察了活塞的撞击能量和活塞与缸套间的接触力，结果如图8～图14所示。

活塞做功行程时对缸套有较大的瞬态撞击力，图8显示了活塞对缸套的撞击能量，从图中可以看到在8℃A出现峰值，为138.1 N·mm，设计时要将此值控制在一定的范围内。

图9和图10给出了活塞的径向位移及加速度，最大径向位移出现在40℃A，峰值为0.0698 mm，径向加速度最大值为297 mm/s，出现在8℃A，这是由于活塞在做功行程，主推力面上的瞬态撞击力导致的，所以加速度峰值也出现在同一时刻，位移在之后的40℃A出现峰值。

从图11和图12中可以看出，活塞偏摆角度小于0.0067°，这是可以接受的。角加速度峰值出现在换向时刻。实际表明适当的摆角可以减小活塞对缸套的撞击，有利于活塞的工作。由上可以看出活塞的二阶运动保持在一个较小的范围内，工作较为合理。

图8 活塞的撞击能量

图9 活塞的径向位移

图10 活塞的径向加速度

从图13和图14中可以看出，主推力侧在45℃A附近接触力出现峰值，持续时间较长，接触不是很理想；在副推力侧，可以看出在活塞上行时，活塞裙部下侧对缸套有较大的冲击。

图11 活塞的角位移

图12 活塞角速度

图13 活塞与缸套间主推力侧的侧横向接触力

虽然AVL GLIDE软件可以仿真活塞运动，并用于指导活塞的设计，节省成本。但仿真结果如果要更加逼近实际，还要受到很多因素的影响，如活塞缸套温度场的准确性，材料的弹性模量和热膨胀系数的非线性，配缸间隙和缸套安装变形等，在后续的设计中要考虑这些[5]。

5 结束语

对某机型柴油机活塞二阶运动进行了分析，可以得到以下结论：

图14 活塞与缸套间副推力侧的侧横向接触力

（1）活塞换向时比较平稳，没有严重的敲击，最大径向位移和角位移都维持在一个小的范围内。工作状况较为理想。

（2）活塞下行做功时，对主推力侧有较大的接触力，持续时间较长，接触不是很理想。上行时，活塞裙部下侧对缸套有较大的冲击，可以进一步优化裙部的型线得到改善。

（3）通过对活塞二阶运动的分析，可以为后续裙部的改进设计提供一定的依据。

1周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005.

2吴海涛，崔克天.Excite Piston and Rings软件在活塞型线优化中的应用[C].2008AVL先进模拟技术中国用户大会论文.

3薛明德.柴油机活塞的温度场、热变形与应力三维有限元分析[J].兵工学报，2001，22（1）：11-14.

4刘月花.增压柴油机湿式气缸套的温度场及振动特性研究[D].昆明理工大学，2006.

5蓝军.AVL GLIDE模型的计算精度控制[C]. AVL2006年用户大会论文集.

An Analysis of Piston Secondary Movement for Diesel Engine

Zhang Liqiang, Zhang Yi, Fu Yuelei
（Dept of Vehicle and Power Engineering, Mechanical and Electronic Engineering Institute, North University of China, Taiyuan 030051, China）

Thermal deformation of the piston and liner and deformation of themunder preload condition should be considered in simulation and analysis of piston secondary movement. Temperature field and thermal deformation of piston and liner has been calculated, simulation analysis of piston secondary movement has been done, and the structure of piston has been evaluated, which provides reference for further optimization of the piston.

diesel engine, piston, secondary movement, simulation analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.02.003

来稿日期：2009-10-13

张丽强（1984－），男，在读硕士，主要研究方向为发动机总体技术及结构动态设计。