《基于摩擦学原理的内燃机活塞裙部结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于摩擦学原理的内燃机活塞裙部结构（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2 0 0 4 中国内燃机学会燃烧联合学术会议- 辨。争加 唧? ，基于摩擦学原理的内燃机活塞裙部结构陈传举( 河南科技大学车辆与动力工程学院，洛阳，4 7 1 0 0 3 )【籀要】本文首先从活塞裙相对于气缸壁面变速润滑运动的状态出发，建立了雷诺方程，再以椭圆一双曲面表选热态时活塞裙部型面的形状，进而以解析式模拟裙部表面和气缸壁面之间的油膜分布。在最小油腱厚度不能小于气缸壁面和裙部表面的粗糙度的前提下，用有限元方法解雷谱方程，得出分布的油膜压力，用油膜压力舍力与侧压力是否平衡来判断裙部型面的设计是否合适在计算过程中还考虑了活塞的摆动以及横向位移的影响，同时发现中凸点附近的曲率半径不能过小上迷
2、过程被编制成使用方便的计算机软件A b 3 t r a c tT h eg o a lo f t h i sp a t e ri st oc h o n s ea l lo p t i m u mp r o f i l eo f p i s t o ns k i r t F i r s t , t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n ( R e y n o l d s E q u a t i o n ) i s d e d u c e d b a s e d O n t h e f a c t t h a t p i s t o ns k i r tr u
3、i s t r a n s i e n tr e l a t i n gc y l i n d e r l i n e r S e c o n d l y , i n o r d e r t os i m u l a t e t h e o i l f i l mb c t w c g , n p i s t o ns k i r ts u r f a c e a n dc y l i n d e r l i n e r a l l o v a l h y p e r b o l o i d i se m p l o y e dt oe x p r e s sp i s t o ns k i
4、r ts u r f a c ei nw o r k i n gc o n d i t i o n s N e x Lt h eR e y n o l d sE q u a t i o ni ss o l v e dw i t hF E Ma n dn o wt h eh y d r o d y n a m i cp l Ri sk n o w n F i n a l l y T h eo p t i m u mp r o f i l eo fp i s t o ns k i r ti sd e c i d e dt h r o u g hc o m p u t e rp r o g r a
5、md e v e l o p e db ea u t h o r 关冀词：摩擦学流体动力润滑内燃机活塞0 引言活塞在气缸套中的运动状态对内燃机的噪声、摩擦损失、运转寿命都有直接的影响。而该运动状态在很大程度上取决于活塞裙与缸壁之间的流体动力润滑特性。影响这一特性的又是活塞裙部的表面结构。良好的裙部结构，可使活塞的摩擦损失减少1 0 ，油耗降低I 1 ”。已有诸多文献介绍裙部型线的计算与研制，但这些研究往往只选定冷态型面，与热态时的润滑状态没有联系上。怎样从理论上获得一个较佳的活塞裙部型厩，本文以有限元法解雷诺方程为基础，提出了使活塞侧向运动尽可能小、流体动力润滑效应尽可能佳的活塞裙部型面的设计
6、方法。l活塞的流体动力润滑运动状态1 1 霄诺方程的导出活塞在气缸中的流体润滑状态可用雷诺方程来描述嘲。如图1 ，活塞被推向主推力面时，活塞裙的流体动力润滑状态关于A C 是对称的，为此沿弧线A B C 将活塞裙外表面及气缸内壁面展开。则雷诺方程为旦f 堡垒1 + 旦f 壁垒1 ：6 一a ( u h ) + 6 一O ( w h ) + 1 2 ，( 1 ) a x 、“ a X ) a z 弘a z1a xa z式中| I l 一油膜厚度，m i l l ；p 一油膜压力，M P a ；一润滑油粘度，M P a s ；“沿X 方向的速度，蛐札s ；w 治z 方向的速度即活塞速度，删融，s
7、；v = 娑沿Y 向的速度( f为时闻渤咖，s 。当活塞在气缸巾产生横向运动速度v 。时，活塞裙表面任一点的的速度可分解为围l b所示的情形：V 1 2V 。s i n O ( 2 a )I ，n = ”口c o s O ( 2 b )显然将活塞裙表面展开后有“2 V t 。v qs i n 8 ( 3 a )V 。V n - V 。c o s O ( 3 b )根据气缸壁面和活塞裙表面展开圈l c ，X ；R 口( 4 )罔l 活塞幕与气缸肇的润滑模犁F g1T h e ”O d e l二：p j s t o ” s r + Q nc I ：v I n d e 。1 I 、r式巾R 为气缸的
8、公称半径。m 。由复合函数的求导法则。并考虑到式( 3 a ) 和式( 4 ) ，得百O ( u h ) = 等C O s 口+ 百v o 万O h 鼬一( 5 )敬RR8 8又因活塞的速度w 沿气缸轴线方向是变化的，因此有o ( w h ) ：。丝+ h 丝：w 塑+ h 丝J L ：w 堕+ 生( 6 )a za za z。z哉8 z 协a zw式中a ，为活塞运动加速度( m s 2 ) ，它反映活塞变速运动( 由此而产生的惯性力) 对油膜压力的影响。旦a ef L 生，, 鱼a e h ) 壶晤劫= 6 R 2 ( w 西8 1 ：+ l | I 争+ 6 R V q ( h c o
9、s e + 鲁s i n 回+ 1 2 R 2 v qc o s 81 3 蕾诺方程的简化活塞横向运动的速度屹，其数量级为1 0 “ z m m s 脚，油膜犀度I I 的数量级亦为l o 2 舳，h 沿e 的变化也同样很小这样式( 7 ) 等号右端的三项中，中问一项与另外两项相比可略去：旦a o f L 芝，, 鱼a o ) + 震2 旦a Z L f 生，, 鱼a z ) 1 ；被2 差+ I l 告) + 1 2 R 2 v , 螂口( s )式( 8 ) 等号右蛸的第二项是挤压效应，在上、下止点附近，活塞的速度近于零，该项起主要作用丽当活塞速度较大时，该墁所反映豹挤压效应与由活塞速度所
10、产生的藏体动压效应丰甘比仍可略去，这一点已为文献 4 】的实验所证实。如此在活塞处于上、下止点附近。式( 8 ) 又可表示为寺( 铬) + 胄2 壶( 箍) = 6 足2 ( h 卺- - + 1 2 v oc o s 们c 。，以上所给出的针对活塞润滑的雷诺方程，1 3 臂诺方程的边界条件与文献 3 相比。物理意义更加明确。在展开的图I 巾只取Z X 面( 见图2 ) ，左边为压力最大值线故有+e = o ，呈：o( 1 0 a ) a 口在裙部的上下边沿Z = + 上2 ，L 2 ，P = o( 1 0 b )一式中，裙部的长度。在包含活塞销孔在内的右边界，可以认为p = O 。忸有这z
11、咖删“2 r 百jl 0 = 工二二二叭羔墙。剃一可能，油膜压力尚未到达右边界就已降为零。面且根据连续性，此时压力沿0 方向的梯度也应为零。放有z t z ( 既鲁- o ，p 锄( 1 0 c )式中Z - Z ( 口) ，是一条尚未知的l l e 线( 见圈2 ) ，在计算中才能予以确认式( 1 0 c ) 所确认的边再蓉件鼍免了在9 簪予纂一对。誊一p l o 的鼍况从雨筏计算更翱攘蠢 2 平均落方程上述譬诺方程是假定备润精表面是绝塞 对光滑的考虑到海滑表面租麓度的影响文献【5 提出了平均雷诺方程欲将平均雷诺方程应用到活塞缸套润滑系统应先分析活塞裙表面和缸壁面的徽魂形鸯为改善润滑性能活塞
12、捃袭面采用了瓦努壁结构( 图3 嗣) 其深度远大予活塞梧表面和缸壁面的租糖度( 置z , - 6 3 p m ) 因面罔3 前蕾爱蕾瓦蕾蛄构F 嘧3S u r f o c eo fp 蓐t o ns k t t可忽略两壁面粗麓度的影响。井爱定气缸壁话为光滑的活塞嚣缸套舅滑系缝盼平均雷诺方程可表示为如下形式t品( 呜鲁嘉) + 盂2 言( 也等割= 6 R 2 噔+ Q + 告+ - 傩明，式巾o ，巾2 为压力流动因子啦为舅切巍动因子，皆为无量纲熬；J I 一为平均油囊厚度为简化，省去其 上的一横，衄；Q 一代表瓦楞的高度m e r e o 口，o z ，由s 和J 的计算参考文卸1 3 油膜
13、厚度为准确的反映气缸壁面和活塞据表面之闯的油摸分布应考虑二者都处于工作状态之下才有意义在热态下，活塞裙和气缸壁的杌变形比热变形小一个数量级嗍，因而忽略机镶变形仪考彦活塞裙的热变形。将油膜厚度的分布以函数k ( O ，刁表示( 圈l c 圈4 1 ：榔，Z ) t 一咿，Z ) - 瓴+ Z e ，) 瞄口0 2 )再油卑黻9 儿阿澎示K i 9 4O e o n i t r i cm o d e lo Fo i i ：l 【“式中丑c 气缸在热夺下的真实半径，咖It r 一粕中心线糖对于气缸中心线的馕移，咖；巳活骞中心线相对于气缸中心线的馕辩角度度tr ( O 。Z 卜- 焘衣下播部堑面函数表
14、达式，岫如何选捧r ( Q ，Z ) 燕设计牺形蕊的美t 。这将直接髟一囊缸套话毫的斓滑状态文献囝、川中虽给出了不同函数所囊达的登面。但碍于鼓掌上鹤砸难却来蠢从6 0 3理论上分析其优劣本文给出了另一种型线，如图4 示设热态时的裙部型面为一。椭髓双曲面。，其方程为：X ：。1 ： c 4 + ，一网2 。 p + ，一网= 1( 1 3 )式中，a , b 分剐为裙部最大搪啊瓶的长半轴和短半轴，一；r 。，f _ 分剐为双曲面在兄一Z 平面内相应于口的实半轴和虚半轴，m m ；r - 。f F 分别为双曲面在艺z 平面内相应于b 的实半轴和虚半轴。瞳：J | ：一型线中凸点在Z 向的坐标，蛐。
15、为更好的棱拟群部垂线，以型线中凸点为界可选两种双曲面分别模拟上裙和下裙，为此只要改变J I ：、r 、f 、7 - 、“的值竣可以了。将式( 1 3 ) 的直角坐标泵以柱坐标k = r c o s O ，艺：r s i n O ，Z = z 代入得，- c O s 2 口s i n 2 口 ( 1 4 )则在确定了晨c ，oo 和e ，之后，式( 1 2 ) 即可确定。4 算倒及结果分析用有限元法解以式( 1 0 ) 为边界条件的霄诺方程( 1 1 ) ，整个解算过程被编制成为一套方便、实用的软件。本文以1 0 5 系列某柴油机为例作了分析输入的参数见表1 。计算的时捌选在最大侧压力出现时的曲
16、轴转角( 3 8 0 = ) 因为此时活塞的速度仍较低，流体动力润滑的效果亦非最佳。如果此时的裙龌型线麓满足要求，尉在其它的情形均可获得较好的流体动力润滑效果在计算进行之前，尚需确定式( 1 2 ) 中的e ，。口，是活塞绕活塞销转动B l起的t 而本文的目的之一就是要使活塞的摆动降低到最小( 巳m 0 ) ，从而减少活塞运动的噪声计算过程是先选择式( 1 4 ) 中的型线参数r 、f 、7b fb 和K 。解出_ I I ( 口，Z ) ，代入到薯诺方程( 1 1 ) 中，进而藏以有限元解法，求出油膜分布压力p ( 口，Z ) 作者认为合适的塑线参数应满足以下两条判据：第一，P ( 口，Z ) 在水平方向上的分量的合力，应与侧压力的值相等若不相等，可改变型线参数当型线参数
