基于12V620柴油机的活塞二阶运动及敲击噪声的预测.doc

硕士学位论文1摘要活塞裙部的摩擦学性能是影响现代内燃机活塞设计的一个关键问题，长期以来人们对此问题进行了各种各样的研究但一直未得到根本的解决为了解决活塞的裙部的摩擦学设计问题传统的设计方法必须通过经验或大量的试验结果后经过不断的改进得以逐步实现这种方法显然不能适应现代活塞设计的要求本文从对活塞-缸套这对摩擦副的研究入手结合有限元的分析方法建立了活塞工作状态下考虑活塞热变形力变形的润滑计算模型以此对影响活塞裙部润滑的参数进行分析为内燃机活塞系统摩擦学特性提供一个全面的评价方法同时为活塞的设计提供理论依据针对这个目的在如下几个方面进行了研究工作结合活塞裙部与缸套间的流体动力润滑理论和活塞的力平衡方程建立了分析活塞二阶运动的分析模型采用了平均流量模型考虑了表面粗糙度等因素的影响克服了光滑表面模型的不足使分析结果更为准确可靠将表面接触模型进入到计算之中考虑了表面微凸体接触的影响使得润滑计算模型更加精确更为全面地反映活塞裙部的润滑状态对活塞进行力热变形计算在热变形计算中首先确定活塞的热边界条件计算活塞的温度场并和试验进行了对比然后计算活塞裙部变形量对活塞进行力变形计算分别对顶部压力裙部单位力进行计算然后由线形叠加得到每一时刻的裙部变形建立力变形计算柔度矩阵建立了考虑热变形弹性变形的活塞裙部润滑模型通过该模型可以对发动机工况下的活塞裙部润滑状态进行分析计算同时对比了在冷态下活塞裙部润滑和热态下的不同点对活塞裙部型面进行了分析工作包括纵向型线的设计因素型线的拟和方法同时对活塞裙部横向型线规律进行了分析并引入了活塞裙部曲面拟和的方法结合发动机的实际工况通过仿真研究一些结构参数如活塞型线裙部长度销偏心和配缸间隙对活塞系统二阶运动和摩擦的影响给出了在活塞裙部设计方面一些结构参数的设计准则为了验证活塞裙部润滑模型的有效性通过该模型尝试进行了活塞型面参数优化设计同时在一款发动机上进行了试验研究并通过试验结果来对活塞裙部设计进行了评价以往人们对于曲柄滑动轴承这样在动载荷下运转的轴承的数值研究往往采用雷诺边界条件进行分析计算，该边界条件应用在油膜破裂处较合理，但无法正确解释油膜再形成时的情况。近年来国际上出现的NO边界条件不仅提供了油膜破裂条件，而且提供了油膜再形成条件，比雷诺边界条件更符合动压润滑过程的实际情况。本文首先采用有限差分法求解采用JFO边界条件下滑动轴承在纯旋转状态下的各项润滑性能，并将所得结果与有关经典研究结论进行对比，证明本研究所采用的新型边界条件以及数值模拟的科学性和可行性。通过对内燃机曲柄活塞机构进行运动学和力学的研究，分析了各关键运动参数之间的变化关系和各种力之间的变化关系，在此基础上，将JFO边界条件引入到内燃机曲柄滑动轴承润滑特性的数值模拟研究中，成功求出了内燃机曲柄滑动轴承有关摩擦学性能。选定16V240型柴油机曲柄滑动轴承作为研究对象，详细研究了其轴心轨迹、油膜厚度、摩擦力的变化过程。研究了若千参数变化对这些性能的影响过程，得出了一系列有益硕士学位论文2结论。本论文的研究结论，对内燃机曲柄滑动轴承润滑特性的进一步研究以及曲柄滑动轴承的实际设计和应用有一定的借鉴作内燃机曲轴一轴承系统是内燃机的关键部件，其摩擦学、动力学性能不仅直接影响到内燃机工作的可靠性和耐久性，还限制了内燃机潜力的发挥。因而，摩擦学、动力学性能分析历来是该系统设计理论基础的重要组成部分。然而，长期以来，由于曲轴一轴承系统特殊的结构形式和复杂的受力状况，理论研究难度较大，其摩擦学和动力学行为的分析是在两个独立的领域里分别进行的。因此，进行曲轴一轴承系统摩擦学和动力学的祸合研究、提高曲轴一轴承系统理论分析的准确性，具有重要的理论意义和现实的应用价值。首先，本文在分析现有内燃机轴承润滑分析、曲轴动力学分析和转子动力学相关领域研究现状的基础上，探讨了轴一轴承系统摩擦学、动力学祸合的必要性。认为轴一轴承系统所承受的最普遍、最常见的载荷形式是变载荷，即使是工作在恒定载荷工况下轴一轴承系统，其在加载与卸载过程中也是承受变载荷作用；对变载荷轴承的分析必须同时考虑轴的动力学效应和轴承的摩擦学效应.据此提出将轴和轴承视为一个整体系统，根据轴的动力学方程和滑动轴承的油膜力方程。采用数值积分方法直接祸合求解轴一轴承系统的摩擦学、动力学行为。活塞敲击噪声的控制是内燃机振动与噪声控制领域内的一个重要研究方向。本文以12V620柴油机为具体研究对象，对其活塞二阶运动及敲击噪声的预测进行了深入的研究。采用有限元分析软件ANSYS计算了12V620柴油机活塞的温度场，得到了与实测结果相吻合的温度场分布，并分析热变性对活塞与缸套间隙的影响，得出热态下活塞二阶运动较冷态下明显；推导了活塞二阶运动的动力学方程及为裙部润滑分析所建立的Reynolds方程，并给出了相应的数值解法；针对12V620柴油机运用Glide软件进行了活塞二阶运动仿真，并分析了活塞结构参数对活塞二阶运动的影响。利用APDL语言建立了机体和油底壳的有限元模型，将活塞敲击力加载到有限元模型上，进行结构的瞬态振动分析，得到了整体结构在敲击力作用下的响应；在此基础上，使用SYSNOISE软件利用无限元方法对机体和油底壳表面的瞬态声场进行了分析，通过不同工况的计算，发现随着转速增大敲击噪声也变大，活塞销存在一定的偏心矩能降低敲击噪声；最后又在模型上加载气缸压力，分析外部载荷对燃烧噪声和敲击噪声的影响，得出敲击力对混合噪声起主导作用。关键词：活塞；二阶运动；温度场；敲击噪声；Glide硕士学位论文3ABSTRACTTheimpactnoiseisanimportantaspectoftheinternalcombustionenginevibrationandnoisecontrol.The12V620dieselisselectedastheresearchobjectinthispaperandthesecondarymotionofpistonandimpactnoiseofthisdieselisstudiedindetail.ThethermalfieldofthewholepistonwascalculatedwithANSYS，closetotheexperimentresult.Thenthedistortionofthepistonskirtcanbegot,whichaffectstheclearancebetweenpistonandcylinder，provingthatthesecondarymotionisintenserinthermalstatethanincoldstate.Themodelofpistonsecondarymotionisestablishedbyconsideringthehydrodynamiclubricationbetweenthepistonandcylinder.Inthiscourse,Reynoldsequationisfoundedandnumericalmethodisused.Simulationofpistonsecondarymotionto12V620dieselisdealtwithGLIDEtoanalyzethestructureparameterswhichaffectthemotion.ThefiniteelementmodelofengineblockandoilpanwasbuiltwithANSYS.Thedistortionprocessofmodelwasstudiedbytransientdynamicanalysisundertheimpactforceofpiston.Basedonthis,thepaperstudiestransientsoundfieldoftheblockandoilsumpsurfacesbyusingtheinfiniteelementmethodwithSYSNOISE.Andthecontrastanalysisonimpactnoiseiscarriedonindifferentdieseloperatingmodes.Itisfoundthatimpactnoiseincreasesastherotationalspeedishigheranddecreaseswhenpistonhasacertainpineccentricity.Inaddition,cylinderpressureisloadedonthemodeltoanalyzewhichexternalloadismoreimportanttocombustionnoiseandimpactnoise.Itisprovedthatimpactofpistonhastheleadingeffectsonmixednoise.Keywords：Piston；Secondarymotion；Thermalfield；Impactnoise；Glide硕士学位论文4目录第1章绪论.61.1引言.61.1.1活塞裙部润滑研究的意义.21.1.2曲轴轴承润滑研究的意义.31.2国内外研究的历史与现状.41.2.1活塞裙部润滑研究.41.2.2曲轴轴承润滑研究.51.2.2.1轴承润滑的气穴效应.81.2.2.2考虑空穴边界条件和弹流润滑的研究.91.2.3研究现状的总结.101.3本文研究的主要内容和工作.11第2章活塞裙部雷诺方程的推导.182.1普通雷诺方程的推导.182.1.1等温条件下雷诺方程的推导.错误!未定义书签。2.1.2基于平均流量模型雷诺方程的推导.172.1.2.1表面方向参数.182.1.2.2压力流量因子.192.1.2.3剪切流量因子.192.1.3润滑油粘度、密度与压力、温度的关系.212.1.3.1润滑油粘度与压力、温度的关系.212.1.3.2润滑油粘度与温度的关系.222.1.3.3粘度同时随压力和温度变化的规律.232.1.3.4润滑油密度与压力、温度的关系.232.1.4含有接触因子和压力、剪切流量因子雷诺方程的推导错误!未定义书签。2.2适用于活塞裙部油膜润滑雷诺方程的推导.272.2.1推导适用于活塞裙部油膜润滑结构的雷诺方程.272.2.2活塞裙部与缸套间油膜厚度的计算.302.2.3活塞裙部与缸套间两润滑表面法向总弹性变形量的计算.38硕士学位论文52.3本章小结.40第3章雷诺方程的数值求解和结果分析.503.1富油区雷诺方程的有限元解法.503.2贫油区油膜混合润滑的解法.593.3程序和参数说明.613.4计算结果及分析.653.5本章小结.65第4章曲轴轴承润滑的分析和数值计算.724.1考虑气穴效应雷诺方程的推导.724.2轴承润滑边界条件的分析.744.2.1油膜破裂边界条件.774.2.2油膜再形成边界条件.错误!未定义书签。4.3轴颈未倾斜时的质量守恒算法.824.3.1质量守恒算法的推导.824.3.2质量守恒算法的修正.错误!未定义书签。4.4轴颈倾斜时的近似因式分解算法.824.4.1控制方程的转换.774.4.2控制方程的求解.错误!未定义书签。4.5本章小结.90第5章曲轴轴承润滑的计算程序和结果分析.985.1质量守恒算法程序说明.985.2轴颈未倾斜时结果分析.1005.3近似因式分解算法程序说明.1015.4轴颈倾斜时结果分析.1015.5本章小结.106第6章轴承中的弹性流体动力润滑分析.986.1本章小结.106结论.107主要符号说明.109参考文献.122攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果.122致谢.123硕士学位论文6第1章绪论1.1引言内燃机作为一种动力机械，广泛应用于国民经济各个行业，汽车工业是其最大的用户。内燃机和汽车给世界带来了现代物质文明，但也同时对人类的生存环境带来挑战。上世纪70年代爆发的石油危机，使节能成为一个永恒的主题；80年代全球温室效应的加剧，使汽车有害气体排放成为“众矢之的”；随着汽车保有量的迅速增加，由汽车带来的污染越来越严重，有关限制排放和噪声的法规也越来越严格。为了达到“低能耗、低排放、低噪声”的性能要求，增压、高压喷射、废气再循环、高转速、高压缩比发动机等一系列新技术被广泛应用于汽车内燃机。上述新技术的应用，满足了内燃机高性能、低排放的要求，但带来的直接后果是使曲柄活塞连杆和曲轴轴承系统的负荷大幅度增加。伴随着内燃机性能的日益提高，现代内燃机设计要求尽可能地提高输出功率、降低摩擦损失、降低燃油耗率以及提高工作可靠性及整机寿命等。曲柄活塞连杆和曲轴轴承是内燃机的关键运动部件，其工作性能严重影响整机的工作性能。同时，曲柄活塞连杆和轴承润滑研究对曲柄活塞连杆和轴承工作可靠性、损坏原因及优化设计方案具有举足轻重的作用。近20年来高转速、大爆发压力发动机的使用，使得曲柄活塞连杆和曲轴一轴承系统所承受的爆发压力、扭矩、往复惯性力、离心惯性力急剧增加。内燃机越来越苛刻的工作条件，对曲柄活塞连杆和曲轴一轴承系统的设计提出了更高的要求。因此，应对曲柄活塞连杆和曲轴轴承进行润滑研究，精确预测轴承性能，从而提高内燃机的动力性、经济性。作为动力源的发动机是一个集往复、回转、冲击等运动零件于一体的复杂的摩擦学系统。磨损是导致发动机零部件失效和整机性能劣化的主要原因，尤其是随着科技发展，对发动机的可靠性、寿命、排放、经济性等要求越来越高，使得其摩擦磨损问题更加突出。实践证明，要提高发动机的减磨耐磨性能，已非强度设计、结构设计等所能胜任，其唯一的出路在硕士学位论文7于开展摩擦学设计，即用摩擦、磨损、润滑的理论，从系统的观点出发，去分析影响零件磨损的各种因素，使设计出的发动机有更高可靠度、最佳经济性能和合理使用寿命。所以，对发动机的润滑系统进行研究优化，从而提高发动机的润滑性能，对减少发动机排放和提高燃油经济性有重要意义。进行发动机润滑系统的优化研究后，可以较精确地估计摩擦表面所需的润滑油量，结合润滑油的温升、油压、油速的非线形方程得出最小循环油量，优化各表面的润滑性，控制发动机的零件温度在正常工作范围内。内燃机曲柄活塞连杆和曲轴连杆机构将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。润滑系统是发动机的重要系统之一，主要功能是供给发动机运动摩擦副适当压力和流量的机油，保证良好的润滑、冷却散热和清洁磨粒的作用，还可增加活塞与活塞环的密封性，在有些情况下，它对受热零件进行冷却，如通过活塞喷嘴向活塞喷油达到冷却活塞的作用。润滑系统性能的好坏，是影响发动机正常运转和寿命的主要因素之一，润滑不良导致机械损失和零件磨损增大，动力性和经济性下降。要是在发动机的摩擦表面上没有润滑的话，即使冶金、材料及工艺技术人员取得了巨大成就，发明了耐磨性能极好的材料，把摩擦表面加工得具有高度的光洁度和精确度，它们仍然是不能正常工作的。而且随着内燃机性能的日益提高，市场上对高效率的发动机的需求也越来越迫切。显而易见，快速简单的评估润滑系统，对每个元件确保足够的润滑油量是非常重要的。1.1.1活塞裙部润滑研究的意义活塞在缸内运动时，一方面受到气体爆发压力的作用，另一方面由于活塞的质量较大，使活塞受到较大的惯性力，再由上述两个力在活塞上引起侧向力。侧向力方向改变将使活塞在缸内发生微小的横向运动和摇摆运动(即活塞的二阶运动)。活塞的二阶运动是引起柴油机噪音、汽缸套的振动和汽缸壁穴蚀的一个重要原因，而合理的裙部设计应是中部凸起的鼓形，可以在活塞上下运动时形成一个裙部和汽缸套之间楔形油膜，改善两者间的润滑条件和减少活塞换向运动时对汽缸套的撞击。因此，研究裙部型面等因素对活塞二阶运动的影响不仅可以降低噪音和振动，而且对提高内燃机的可靠性等有着硕士学位论文8十分重要的意义。研究人员通过透明缸套所进行的试验中发现，活塞裙部与缸套之间极小的间隙内存在着一层油膜，这不得不引发人们思考:这层油膜可能起到了“垫子”的作用，用以抵抗运行表面的严重冲击，从而使冲击滞后。也有人在活塞裙部加入润滑剂后观察到，发动机的噪音明显地降了下来。由于缸套活塞裙部之间的润滑剂明显扮演了一个重要的角色，其对活塞动力的作用越来越引起人们的重视，而且试图对其进行评价.进入八十年代，人们更加深刻认识到:活塞在沿着缸套轴线的上上下下的往复运动过程中，同样也经历了一个在油膜厚度间的横向振荡运动。这种横向摆动虽然非常微小，但是对活塞的工作可靠性起着极为重要的作用。而且，所有与活塞设计有关的因素，如摩擦功耗、机油消耗、机器噪音和抗磨损寿命等，都与活塞的运动和润滑紧密地相关，因此为了更好地理解和有效地预测活塞与缸套界面间的运动、摩擦和润滑，确实有必要发展和改善裙部的润滑数值分析。1.1.2曲轴轴承润滑研究的意义内燃机发动机曲轴轴承是一种典型的动载荷滑动轴承。近年来随着新型发动机性能要求的提高，发动机轴承的设计也在不断更新和完善。现代发动机设计追求的目标是:提高工作寿命和可靠性，降低燃油耗，尽可能地提高输出功率，降低摩擦损失等等，对应于轴承来说，就要求使用低粘度润滑油，减小尺寸，承受更高载荷，在更薄的油膜下工作。所有这些将使轴承工作处于更加苛刻的状态，因此对内燃机曲轴滑动轴承的摩擦学性能进行研究、确定影响其性能的各种因素、精确地预测轴承性能，对于改善汽车发动机的工作性能及可靠性、延长寿命，具有十分重大的意义。纵观内燃机曲轴滑动轴承的研究历史可以看出，以往的研究主要从两个方面来进行:一是采用实验研究的方法，二是采用数值模拟计算研究的方法。实验研究主要侧重于利用传感器对轴心轨迹进行测试，但研究的结果往往不够精确，同时研究成本很高；随着计算机技术而兴起的数值模拟研究是在对内燃机曲轴滑动轴承的润滑工况进行科学建模的基础上而进行的研究方法，具有精度高、成本低、效率高的特点，广泛受到重视和采纳，并且通过大量的实验证明这种方法十分有效。然而，以往对于内燃机发动硕士学位论文9机曲轴轴承润滑特性的数值模拟研究仍存在一些不足，尤其在润滑理论建模和求解过程远未达到最佳，难以形成统一和广泛接受的研究方法和研究结论，所得到的结果大多处于近似和定性的状态，对生产实际的指导作用十分有限，尚未形成系统的研究成果。但是，当今世界汽车工业的发展要求对曲轴滑动轴承的润滑特性要求愈来愈高，目前的研究水平不能满足实际的要求。1.2国内外研究的历史与现状1.2.1活塞裙部润滑研究人们对活塞润滑研究最早是从活塞环开始的，早期对活塞环进行的摩擦学研究主要是求内燃机的摩擦损失。活塞环-缸套的磨损是非常复杂的，其中包括粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等多种磨损形式，受许多因素的影响。1980年，S.D.Haddad和D.A.Howard在其论文中给出了活塞拍击运动的理论分析，运用计算机技术进行求解，引出的降低活塞敲击噪声的一些预测性的优化设计最新结果。1992年，DequanZou和TheodosiosKorakianitis给出了包含活塞、连杆和曲轴的活塞组的活塞敲击理论分析模型，并考虑了活塞销、曲柄销上的摩擦力和活塞裙部润滑油膜的影响。1995年，SamD.Haddad回顾了以往研究活塞运动的理论分析成果并由此编写的预测高效低噪声发动机的优化设计程序。1995年，SamD.Haddad和Kek-tjenTjan给出了研究内燃机活塞运动的理论方法，并编写了由于活塞重心、活塞销和曲柄销的偏移引起振动激励的高效低噪声发动机的优化程序。1999年，KazuhiroNakashima，YujiYajima，KyochiSuzuki指出通过活塞销的偏移来优化活塞敲击已经比较成熟，但是如果设计参数在发动机怠速时做一个调整，发动机在高速时的噪声会增加，反之亦然。所以很难在发动机所有转速下降低活塞敲击噪声。通过活塞重心和活塞销偏移量的调整，在发动机怠速和高速运转下，成功地对发动机噪声进行了仿真。国内关于活塞二阶运动的研究起步较晚，1989年，姜恩沪等从活塞的受力状况和流体动力润滑分析着手，建立和开发了能模拟其二阶运动的计算程序。1992年，楼狄明，姜恩沪等从铰接活塞的结构特点和受力状况着