內燃機活塞組件動力學與摩擦學耦合建模及應用研究.pdf

1、當前，人們對于活塞組件等運動部件的關注已經不只局限于傳統(tǒng)的動力學特性，而是對運動與潤滑、摩擦、磨損等摩擦學問題的耦合考慮。這種耦合特性對于發(fā)動機的可靠性、經濟型、振動噪聲等指標都有著重要的影響?；钊M件是內燃機中最重要的運動部件之一，建立一個基于動力學與摩擦學性能耦合分析的活塞組件性能仿真模型對于發(fā)動機性能預測有著重要的意義。
　　本文開展了完整活塞組件（裙部以及活塞環(huán)組）動力學與摩擦學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現(xiàn)，從而實現(xiàn)潤滑油膜厚度、壓力分布規(guī)律、活塞橫向運動、圍繞活塞銷旋轉運動、活塞環(huán)跳動以及扭轉、竄氣以及滑油消耗、摩擦損失功等性能的預測。本文工作還包括往復摩擦試驗機的設計以及在摩擦機上開展的活塞環(huán)-缸套摩擦副模擬運行試驗，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的摩擦系數(shù)。
　　油膜厚度測量試驗研究基于激光誘導熒光原理開展，熒光強度信號采集系統(tǒng)由自制完成。試驗中采用波長為532nm的激光作為激發(fā)光源，并篩選出效率較高的熒光物質；再將此熒光物質摻混到發(fā)動機的滑油中，通過自制的信號校準裝置對油膜厚度信號進行校準，并在缸套上加裝玻璃窗口的發(fā)動機倒拖試驗臺上開展油膜厚度測量，從而驗證數(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出活塞環(huán)組以及裙部處的結構幾何參數(shù)變化以及油膜分布規(guī)律。
　　結合活塞組件潤滑油膜分布的分析結果，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荷的影響，并從相反方向探討了熱負荷對活塞組件摩擦學性能的影響。潤滑分析與活塞熱固耦合分析結果表明，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力學性能有較顯著的影響；另外，熱負荷作用效果下，活塞裙部型線變化顯著，并且裙部中凸點位置會稍微向上偏移，從而影響活塞的二階運動，并導致活塞冷、熱態(tài)條件下的動力學性能差異較大。
　　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構優(yōu)化目標，以通過頂環(huán)處的竄氣量為環(huán)組結構優(yōu)化目標，開展了結構參數(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論為依據(jù)，結合實際設