活塞裙部润滑研究.doc

哈尔滨工程大学硕士学位论文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