活塞裙部结构研究及其对发动机性能的影响

摘要

活塞作为内燃机的重要零部件，其设计及制造制约着内燃机的进一步发展。活塞裙部主要在发动机运行过程中起导向作用，其结构对活塞的二阶运动有明显的影响。本文首先使用实验模拟相结合的方法探究了活塞裙部结构参数的改变对裙部刚度情况的影响，又以活塞动力学及流体润滑相关理论为基础，借助AVL公司Glide动力学分析软件，结合有限元分析、活塞温度场实验、以及活塞刚度实验得到的边界条件建立了活塞动力学模型，并研究不同活塞裙部刚度情况对活塞动力学结果的影响。此外借助一个发动机升级后造成原有活塞火力岸及缸孔拉伤失效的案例，采用Glide动力学分析软件建立的动力学模型对制定的不同改进方案进行评价并找出最佳解决方案，成功解决活塞及缸套拉伤失效，并最终使结构优化后的活塞顺利通过了实验。
　　具体研究内容及成果如下：
　　(1)采用实验模拟相结合的研究手法，建立了活塞体刚度矩阵，为动力学分析提供边界条件。并且探究了减重腔的布置对活塞裙部及活塞环岸径向刚度的影响，以及裙部结构参数的调整对裙部刚度情况的影响。研究发现减重腔的布置不会明显降低活塞的径向刚度，活塞裙部不同结构参数对裙部刚度的影响各不相同。
　　(2)建立的活塞动力学计算模型中综合考虑了活塞的热态变形、弹性变形、缸套的热态变形、冷态安装变形和弹性变形、活塞和缸套接触表面粗糙峰高度、半径及密度等因素的影响，并将边界润滑模型引入到了计算中，从而使动力学计算模型与工程实际更加贴近。
　　(3)研究了不同裙部刚度情况对活塞动力学的影响，不同裙部刚度情况分别包括：裙部刚度的大小、裙部刚度的不同分布、裙部刚度的不对称。研究发现裙部刚度情况对活塞的运动情况有直接影响，活塞裙部刚度的减小都会使活塞径向位移以及最大摆动角度增大，但活塞裙部在不同高度方向刚度的改变对活塞的动力学表现情况影响各不相同，其影响应根据具体机型的设计情况进行具体分析。适度减小活塞次推力侧刚度造成的活塞主、次推力侧的不对称设计会使活塞的最大摆角变大，另外活塞的最大敲击能量会有所增加，本文中的最大敲击能量增大了13.7％。
　　(4)本文针对某柴油机试验后出现活塞火力岸及缸孔拉伤失效问题，使用AVL GLIDE软件建立了活塞组件动力学分析模型，对活塞二阶运动进行研究，并针对不同活塞销孔偏心、裙部及头部型线优化方案进行对比，得到了最优的改进方案，并成功解决活塞及缸套拉伤失效问题。研究表明，在设定活塞销孔偏心的时候，不仅要考虑活塞销孔偏心对活塞敲击噪声、摩擦损失等性能的影响，而且一定要考察其对活塞换向过程中与缸套的接触情况的影响。当活塞热负荷增大或二阶运动动作幅度增大时，应适当加大火力岸的直径缩减量，这样对预防火力岸和缸套发生接触有利。合理优化活塞的运动情况，不但可以提高发动机的可靠性，而且对于发动机经济性以及动力性的提升都有明显的改善。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的研究意义

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本章小结

第二章 活塞裙部结构设计分析基本概念及理论

2.1活塞裙部结构设计基本概念

2.2活塞动力学理论基础

2.3 本章小结

第三章 活塞裙部刚度分布对活塞动力学的影响

3.1活塞刚度矩阵的建立

3.2活塞裙部结构参数对刚度的影响

3.3裙部不同刚度分布对活塞动力学的影响

3.3 本章小结

第四章 活塞的优化设计及对发动机性能的影响

4.1活塞试验情况描述及失效分析

4.2活塞动力学分析边界条件的确立

4.3动力学模型的建立及分析方案的确定

4.4销孔偏心模拟优化

4.5活塞型线模拟优化

4.6 优化前后发动机性能对比

4.7 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2今后工作展望

参考文献

在读期间公开发表的论文

致谢