hh471发动机活塞环自由形状的有限元分析

hh471发动机活塞环自由形状的有限元分析

活佛组是汽车最重要的运动部件之一。其结构和工作环境非常复杂，即高温、负荷、高速运动、缓慢磨损和冷却困难，成为汽车工具中经常出现意见的部件之一。随着汽车汽车日益先进和改进，汽车压力和比功率不断提高，汽车压力和比功率不断提高，这使得更加突出。激活组的工作条件更加差。它是提高汽车压力的主要技术之一。作者重点讨论HH468(缸径为68)发动机扩缸为HH471(缸径为71)后,其活塞组的活塞环配置方案是否合理.利用有限元法对HH471发动机活塞环在机械负荷和热负荷作用下进行了模拟计算分析,发现改进后活塞环的机械应力、热应力、温度及变形均在规定值的范围内,从而为研究活塞环的强度与磨损,分析活塞环故障提供了设计理论依据.1第一气环的自由形状根据文献提供的经验方法,利用MATLAB编制程序计算,得到了第一道气环的自由形状,如图1所示.第一道气环的自由形状和从自由状态收拢装入气缸后的形状对比如图2所示.按三角级数压力分布计算的活塞环自由形状为椭圆.从图2中可以看出:自由形状为椭圆的活塞环对气缸壁的跟随性好,保证了气缸的密封性.2循环操作强度和安装力2.1建立有限元模型环的工作应力即环从自由状态收拢装入气缸后所产生的应力.为了模拟环在实际使用中的情况,作者在有限元模型建立中加入了简化的气缸体和活塞,并在各接触面创建了接触元,在环的开口两端面施加了相应的张力,并且对简化的气缸体和活塞施加了位移约束.有限元分析计算结果如图3所示.2.2参数设计及结果当活塞环安装到活塞环槽中的时候,必须把它扩大到内径超过活塞头部.根据经验把环的开口端距掰开到8d(d为活塞环径向厚度)左右,环就能越过活塞头部套入环槽,这样便在环中引起与工作应力符号相反的应力,其最大值称为套装应力.考虑到活塞环的安装是在常温下进行,受力的时间又短,所以对活塞环只施加了垂直于环平面的轴向旋转约束,同时根据套装应力的定义,在环的开口处的两端面施加了强制位移,使其满足环的开口端距为8d,有限元分析计算结果如图4所示.由文献可知,最大工作应力加套装应力为δmax+δ′max=3.4E/(D/d-1)2=1116MPa,而由该环参数确定的3.4E/(D/d-1)2=1120MPa.二者计算结果比较相近,可知该环结构参数选择较合理.3循环温度的估算3.1环的边界放热系数在实际工作中,活塞顶面吸收热量的40%～50%是通过活塞环传给气缸的,而且活塞环的温度、温度场及其热流也是活塞环损坏与磨损的主要原因之一.尤其是第一道环,其工作状态是最恶劣的.因此,本次计算分析只针对第一道活塞环.参照文献,考虑到环的断面形状以及环的外侧面沿气缸壁高速运动形成油膜润滑状态时油膜厚度的变化,采用以介质对流传热和环与槽接触时的传热为主要形式,其它因素列入修正系数的方法.环的边界放热系数主要从以下4个方面来考虑:①气环上下侧面的平均放热系数;②气环内侧面的放热系数;③气环外侧面的平均换热系数;④介质温度的估算.根据经验公式,计算出环槽各侧面上介质的平均温度为T上=490K,T下=439K,T内=700K.3.2温度对环的影响有限元分析计算结果如图5所示.从环的温度分布中可以看出:活塞环最高温度出现在内侧面上,最低温度在外侧面上,内外侧面上的温度差较大,同时环的上下侧面传入的热流量基本相等.因此,对环的热变形和热应力在设计中不应忽视.4在机械-热负荷耦合下，活塞环的金元分析4.1接触边界条件根据活塞环工作时的受力情况,有限元模型中包括简化的活塞,且在活塞环各侧面施加了相应的气体压力.为了模拟实际情况,在活塞环内圆周向部位进行了全部约束,在活塞环与活塞之间施加接触边界条件,完成接触模拟.有限元分析计算结果如图6所示.从计算结果可以看出:环的最大等效应力为454MPa,小于材料(60SI2MN)屈服极限(σs=1177MPa),并且最大值在环的开口对面,其计算结果符合环的受力规律.4.2最大等效应力a热负荷下活塞环的有限元分析计算结果如图7所示.从图7中可以看出:环的最大等效应力为212MPa,小于材料(60SI2MN)屈服极限(σs=1177MPa),并且由于环的内外侧面上温度差较大,最大值相应出现在活塞环的内侧面.4.3热应力与机械负荷的等效应力对比有限元分析采用的计算模型与机械负荷所采用的计算模型相同.有限元分析计算结果如图8所示.从图8中可以看出:由于叠加了热应力,最大等效应力(533MPa)比机械负荷下(454MPa)的等效应力增加了79MPa.5椭圆环的结构1)从活塞环的自由形状和从自由状态收拢装入气缸后的形状对比分析结果得知,扩缸后该椭圆环对气缸壁的跟随性良好,