內(nèi)燃機(jī)活塞組件動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合建模及應(yīng)用研究.pdf

1、當(dāng)前，人們對于活塞組件等運(yùn)動(dòng)部件的關(guān)注已經(jīng)不只局限于傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，而是對運(yùn)動(dòng)與潤滑、摩擦、磨損等摩擦學(xué)問題的耦合考慮。這種耦合特性對于發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)型、振動(dòng)噪聲等指標(biāo)都有著重要的影響。活塞組件是內(nèi)燃機(jī)中最重要的運(yùn)動(dòng)部件之一，建立一個(gè)基于動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)性能耦合分析的活塞組件性能仿真模型對于發(fā)動(dòng)機(jī)性能預(yù)測有著重要的意義。
　　本文開展了完整活塞組件（裙部以及活塞環(huán)組）動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合性能分析的建模方法研究以及活塞環(huán)面和活塞

2、裙部潤滑油膜厚度測量試驗(yàn)研究。耦合模型基于活塞受力方程以及潤滑油膜的平均雷諾方程建立，考慮了部件表面微觀形貌特征對潤滑狀態(tài)的作用效果，采用FROTRAN語言編程求解，求解算法采用有限差分方法實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)潤滑油膜厚度、壓力分布規(guī)律、活塞橫向運(yùn)動(dòng)、圍繞活塞銷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、活塞環(huán)跳動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)、竄氣以及滑油消耗、摩擦損失功等性能的預(yù)測。本文工作還包括往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)以及在摩擦機(jī)上開展的活塞環(huán)-缸套摩擦副模擬運(yùn)行試驗(yàn)，測量得到了活塞環(huán)與缸套間的

3、干摩擦條件下的摩擦力系數(shù)，并以此作為數(shù)值仿真模型中微凸體直接接觸時(shí)的摩擦系數(shù)。
　　油膜厚度測量試驗(yàn)研究基于激光誘導(dǎo)熒光原理開展，熒光強(qiáng)度信號采集系統(tǒng)由自制完成。試驗(yàn)中采用波長為532nm的激光作為激發(fā)光源，并篩選出效率較高的熒光物質(zhì)；再將此熒光物質(zhì)摻混到發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油中，通過自制的信號校準(zhǔn)裝置對油膜厚度信號進(jìn)行校準(zhǔn)，并在缸套上加裝玻璃窗口的發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖試驗(yàn)臺上開展油膜厚度測量，從而驗(yàn)證數(shù)值仿真模型的有效性，探索活塞組件潤滑油膜分布規(guī)

4、律。膜厚測量系統(tǒng)得到的測量曲線能夠清晰地反應(yīng)出活塞環(huán)組以及裙部處的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)變化以及油膜分布規(guī)律。
　　結(jié)合活塞組件潤滑油膜分布的分析結(jié)果，本文完成了活塞組件-缸套耦合系統(tǒng)的傳熱模型，在傳熱模型中將潤滑油膜的導(dǎo)熱作用采用等效熱阻來描述，探討了分布在活塞組件周圍的潤滑油膜對活塞熱負(fù)荷的影響，并從相反方向探討了熱負(fù)荷對活塞組件摩擦學(xué)性能的影響。潤滑分析與活塞熱固耦合分析結(jié)果表明，組合式活塞的活塞環(huán)處潤滑油膜對活塞的冷卻作用并不明顯，

5、滑油粘度對于活塞組件的動(dòng)力學(xué)性能有較顯著的影響；另外，熱負(fù)荷作用效果下，活塞裙部型線變化顯著，并且裙部中凸點(diǎn)位置會(huì)稍微向上偏移，從而影響活塞的二階運(yùn)動(dòng)，并導(dǎo)致活塞冷、熱態(tài)條件下的動(dòng)力學(xué)性能差異較大。
　　以上述耦合模型為手段，本文以摩擦損失功和接觸情況為裙部結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)，以通過頂環(huán)處的竄氣量為環(huán)組結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)，開展了結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析，得到了影響活塞裙部摩擦損失功以及竄氣量的各因素的主次順序；并以敏感性分析的結(jié)論為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際設(shè)