内燃机活塞组件动力学与摩擦学耦合建模及应用研究

论文摘要

当前,人们对于活塞组件等运动部件的关注已经不只局限于传统的动力学特性,而是对运动与润滑、摩擦、磨损等摩擦学问题的耦合考虑。这种耦合特性对于发动机的可靠性、经济型、振动噪声等指标都有着重要的影响。活塞组件是内燃机中最重要的运动部件之一,建立一个基于动力学与摩擦学性能耦合分析的活塞组件性能仿真模型对于发动机性能预测有着重要的意义。本文开展了完整活塞组件（裙部以及活塞环组）动力学与摩擦学耦合性能分析的建模方法研究以及活塞环面和活塞裙部润滑油膜厚度测量试验研究。耦合模型基于活塞受力方程以及润滑油膜的平均雷诺方程建立,考虑了部件表面微观形貌特征对润滑状态的作用效果,采用FROTRAN语言编程求解,求解算法采用有限差分方法实现,从而实现润滑油膜厚度、压力分布规律、活塞横向运动、围绕活塞销旋转运动、活塞环跳动以及扭转、窜气以及滑油消耗、摩擦损失功等性能的预测。本文工作还包括往复摩擦试验机的设计以及在摩擦机上开展的活塞环-缸套摩擦副模拟运行试验,测量得到了活塞环与缸套间的干摩擦条件下的摩擦力系数,并以此作为数值仿真模型中微凸体直接接触时的摩擦系数。油膜厚度测量试验研究基于激光诱导荧光原理开展,荧光强度信号采集系统由自制完成。试验中采用波长为532nm的激光作为激发光源,并筛选出效率较高的荧光物质;再将此荧光物质掺混到发动机的滑油中,通过自制的信号校准装置对油膜厚度信号进行校准,并在缸套上加装玻璃窗口的发动机倒拖试验台上开展油膜厚度测量,从而验证数值仿真模型的有效性,探索活塞组件润滑油膜分布规律。膜厚测量系统得到的测量曲线能够清晰地反应出活塞环组以及裙部处的结构几何参数变化以及油膜分布规律。结合活塞组件润滑油膜分布的分析结果,本文完成了活塞组件-缸套耦合系统的传热模型,在传热模型中将润滑油膜的导热作用采用等效热阻来描述,探讨了分布在活塞组件周围的润滑油膜对活塞热负荷的影响,并从相反方向探讨了热负荷对活塞组件摩擦学性能的影响。润滑分析与活塞热固耦合分析结果表明,组合式活塞的活塞环处润滑油膜对活塞的冷却作用并不明显,滑油粘度对于活塞组件的动力学性能有较显著的影响;另外,热负荷作用效果下,活塞裙部型线变化显著,并且裙部中凸点位置会稍微向上偏移,从而影响活塞的二阶运动,并导致活塞冷、热态条件下的动力学性能差异较大。以上述耦合模型为手段,本文以摩擦损失功和接触情况为裙部结构优化目标,以通过顶环处的窜气量为环组结构优化目标,开展了结构参数敏感性分析,得到了影响活塞裙部摩擦损失功以及窜气量的各因素的主次顺序;并以敏感性分析的结论为依据,结合实际设计案例,开展了裙部优化设计工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 活塞组件动力学与摩擦学研究的意义
• 1.3 活塞环组动力学与摩擦学耦合性能研究进展与现状
• 1.3.1 活塞组件动力学及润滑仿真研究进展与现状
• 1.3.2 活塞组动力学与摩擦学性能试验研究进展与现状
• 1.4 本文的主要工作内容
• 第2章 活塞动力学与摩擦学耦合分析模型
• 2.1 油膜润滑的雷诺方程
• 2.1.1 雷诺方程的基本假设
• 2.1.2 平均雷诺方程
• 2.2 活塞裙部润滑分析
• 2.2.1 活塞系统的动力学分析
• 2.2.2 活塞裙部动压润滑分析
• 2.2.3 流体润滑与混合润滑的分界
• 2.2.4 流量因子的确定
• 2.2.5 微凸体弹性接触模型
• 2.2.6 摩擦损失功
• 2.3 数值计算
• 2.3.1 求解过程
• 2.3.2 求解平均雷诺方程
• 2.4 活塞二阶运动模型的验证
• 2.5 基于设计案例的活塞二阶运动分析
• 2.5.1 活塞重心偏移量对活塞动力学性能的影响
• 2.5.2 活塞销偏移量对活塞动力学性能的影响
• 2.5.3 曲轴偏移量对活塞动力学性能的影响
• 2.5.4 缸套长度对活塞动力学性能的影响
• 2.5.5 发火延迟对活塞动力学性能的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 活塞环动力学模型及润滑模型特性分析
• 3.1 活塞环运动模型
• 3.2 活塞环润滑模型
• 3.3 活塞环边界条件对摩擦学性能的影响
• 3.3.1 润滑区域出口边界条件
• 3.3.2 润滑区域进口边界条件
• 3.3.3 润滑区域物理边界
• 3.4 环组中气体运动模型
• 3.5 润滑油油耗模型
• 3.5.1 缸壁上润滑油的蒸发模型
• 3.5.2 甩油消耗模型
• 3.5.3 通过活塞环开口的润滑油流量
• 3.5.4 活塞第一道环岸的刮油作用
• 3.6 活塞环组动力学分析结果
• 3.7 本章小结
• 第4章 摩擦力及油膜厚度测量实验
• 4.1 摩擦力测量实验
• 4.2 基于激光诱导荧光原理的油膜厚度测量系统开发
• 4.2.1 实验原理
• 4.2.2 荧光物质的选择
• 4.2.3 测试系统开发
• 4.3 发动机试验台简介
• 4.3.1 活塞组件主要结构尺寸
• 4.3.2 透光窗口的加工
• 4.3.3 信号采集策略
• 4.4 油膜厚度测量实验
• 4.4.1 油膜厚度校准
• 4.4.2 活塞环润滑油膜厚度测量与验证
• 4.4.3 活塞裙部润滑油膜厚度测量与验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 热负荷对活塞组件动力学的影响
• 5.1 活塞热负荷分析中的边界条件
• 5.1.1 顶面换热边界条件的确定
• 5.1.2 活塞环槽、环岸及裙部换热边界条件
• 5.1.3 冷却油腔换热边界条件
• 5.2 活塞热负荷分析
• 5.3 热负荷分析结果
• 5.3.1 温度结果
• 5.3.2 活塞热变形结果
• 5.3.3 活塞头部热流分布结果
• 5.4 油膜热边界条件的作用
• 5.5 考虑热变形的典型型线下的活塞动力学分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结构参数参数化分析及裙部型线优化设计
• 6.1 结构参数说明
• 6.2 裙部计算方案及摩擦损失功
• 6.3 活塞裙部主要结构参数敏感性分析
• 6.3.1 确定最大半径情况下的双因素仿真方差分析
• 6.3.2 确定中凸点位置情况下的双因素仿真方差分析
• 6.3.3 裙部结构参数三因素线性回归分析
• 6.4 活塞环槽处主要结构参数敏感性分析
• 6.4.1 针对活塞环组的计算方案
• 6.4.2 环槽处结构参数三因素线性回归分析
• 6.5 典型算例下的活塞动力学分析
• 6.5.1 活塞裙部最小油膜厚度及其位置
• 6.5.2 活塞与缸套接触分析
• 6.6 裙部型线优化设计
• 6.6.1 活塞裙部冷态型线
• 6.6.2 对冷态型线的调整原则及路线
• 6.6.3 调整后的冷态型线
• 6.7 调整型线后的活塞动力学性能分析
• 6.7.1 二阶运动分析结果
• 6.7.2 接触力分析结果
• 6.7.3 摩擦损失功结果
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术科研成果
• 致谢