缸套-活塞系统润滑行为与动力学行为耦合分析.pdf

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1、第卷第期摩擦学学报年月缸套活塞系统润滑行为与动力学行为耦合分析戴旭东袁小阳谢友柏西安交通大学润滑理论及轴承研究所陕西西安摘要建立了缸套活塞系统油膜润滑与动力学行为耦合分析模型并用数值方法进行了仿真计算用有限元法计算了缸体的结构动力响应通过采用有限差分法求解平均雷诺方程计算了缸套和活塞间的流体润滑特性并探讨了活塞二阶振动的影响采用顺序耦合的方法计算了考虑缸套活塞摩擦润滑与缸体结构振动活塞二阶振动耦合作用的缸套活塞间最小油膜厚度变化摩擦力及摩擦功耗等同不考虑缸体振动时的相应分析和计算结果对比发现缸体结构振动对油膜润滑特性具有重要影响关键词缸套活塞系统振动润滑动力耦合中图分类

2、号文献标识码文章编号缸套活塞系统是内燃机的核心组成部分内燃润滑忽略活塞环与缸套间的作用平均方机工作时缸套活塞间的油膜润滑状态直接影响缸体的振动和活塞在缸套内的平动和转动活塞的二阶运动同时缸体的振动和活塞的二阶运动又反过来影响缸套活塞间的油膜润滑状况就缸套活塞系统的动力行为而言油膜润滑同缸体的结构振动及活塞的二阶振动之间存在强耦合作用由于缸体本身结构振动的复杂性以及耦合计算量的巨大人们往往针对缸体的结构振动和缸套活塞间的油膜润滑分别进行独立分析而忽视了不同因素之间的耦合作用本文作者建立了缸套活塞系统摩擦润滑行为和动力学行为耦合分析的数学模型在考虑活塞二阶运动缸体结构振动及

3、缸套活塞间油膜润滑耦合作用的基础上对单缸内燃机进行了数值仿真分析并通过对比分析揭示了考虑摩擦润滑和动力学行为耦合作用的必要性图缸套活塞系统数学模型程可以写为油膜润滑的方程图示出了缸套活塞系统示意图活塞沿方向往复运动活塞裙部和缸套间的润滑油形成流体润滑油膜油膜压力作用于活塞裙部及缸套内壁缸套式中为平均流体压力为润滑油动力粘度为在方向上的运动速度为采用等提出的活塞速度为实际油膜厚度均值为名义油膜厚平均流量模型来计算缸套活塞间粗糙表面的流体动度为时间和为压力流量因子为剪切流压分布为了简化分析只考虑活塞裙部与缸套间的量因子和为缸套活塞表面粗糙度均方根值基金项目国家自然科学基金资

4、助项目日本基金资助项目收稿日期修回日期联系人谢友柏作者简介谢友柏男年生教授博导中国工程院院士目前主要从事摩擦学系统与现代设计方法研究摩擦学学报第卷度和加速度皆可表示为曲柄转角的函数在曲柄连活塞裙部与缸套间的平均油膜厚度可表示为杆的运动平面内作用在活塞上的力和力矩将引发活其中为活塞裙部与缸套间的径向间隙为活塞裙部的轴向和径向轮廓函数为缸体振动引起的活塞裙部与缸套间隙变化量和为裙部顶端和底端的偏摆位移雷诺方程中的挤压膜项为当给定后可以采用有限差分法求解式获得活塞裙部和缸套间流体压力其中可由求解活塞的动力学方程得到可通过计算缸体的振动响应得到压力边界条件为当作用于活塞销上的归

5、因于流体动压作用的总径向压力及其力矩为图活塞的几何尺寸及其所受的力与力矩塞在缸套内的微小的平动和转动由此而产生的活塞裙部顶端和底端的偏心矩可以分别表示为和见图在力和力矩中是由燃烧室中气体压力所产其中为活塞半径为活塞裙部与缸套间的油膜承生的作用在活塞顶上的力为流体动压行为引起的载面积作用在活塞主次推力边上的方向压力为其作由流体动压作用引起的剪切应力为用在活塞销上的力矩为流体动压行为引起的作用在活塞主次推力边上的摩擦力为其作用在活塞销上的力矩和为活塞往复运动引起的活塞其中为剪切压力因子则活塞裙部总摩擦惯性力和销惯性力和分别为活塞二阶运力及其力矩可用下式计算动引起的活塞惯性力

6、惯性力矩和销惯性力为连杆作用在活塞上的力其方向始终沿连杆长度方向根据刘琨等建立的活塞动力学模型并考虑到燃烧气体压力在活塞顶面的作用力方向为活塞顶面活塞的动力学方程法向活塞顶面法向与轴间的夹角为可以将活在气体压力连杆的作用力润滑油膜压力及摩塞运动的动力学方程写为擦力的同时作用下活塞沿缸套轴线方向进行往复运动同时还发生在缸套内的微小的平动和转动活塞的二阶运动图示出了活塞几何尺寸以及作用在活塞上的力和力矩活塞沿气缸往复运动的位置速第期戴旭东等缸套活塞系统润滑行为与动力学行为耦合分析在进行具体数值计算时应注意解决求解过程中出现的矩阵奇异并减小计算规模我们在忽略缸体振动速度对润滑

7、影响的情况下针对个工作循环的耦合作用进行了数值仿真计算初步揭示了在一个工作循环中考虑润滑和缸体振动当已知活塞和曲柄连杆系统的结构尺寸活塞轴向速耦合作用时缸套活塞之间润滑状态的变化情况度加速度以及燃烧室气体压力时即可求得和图对比示出了考虑缸体振动和忽略缸体振动而源于活塞裙部和缸套间的流体动压作用通过求解式即可确定这样式即转化为关于的二阶非线性方程组利用法求解该非线性方程组即可得到活塞裙部各点处的位移及速度缸体的瞬态动力响应缸体受到燃烧气体压力油膜压力及摩擦力等的作用产生弹性变形和受迫振动可以采用有限元法计算缸体的瞬态动力响应视缸体为弹性体其