六缸发动机活塞动力学建模与数值仿真研究.pdf

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1、18~g．r-．i技术工业技术六缸发动机活塞动力学建模与数值仿真研究李恒，周涛，刘国斌(中国航天科工六院41所，呼和浩特010010)【摘要】本文在考虑活塞二阶运动与曲轴在主轴承中的径向运动的基础上，对新型发动机的曲轴连杆活塞系统进行动力学建模，建立了活塞缸套间的流体动压模型、曲轴主轴承间的流体动压模型，然后对整体模型进行进行综合求解，在确定计算流程之后，由此算法编制Fortran语言进行求解，得到活塞二阶运动的变化规律以及曲轴在主轴承中的径向运动规律。【关键词】二阶运动；动力学建模；数值仿真随着全球环境问题Et益严重和能源的不断枯竭，提高发动机的F：一pRq批性能，研发新型高效率低能耗

2、的发动机已经成为必然趋势。而作为发动机中主要的动力机构，曲轴连杆活塞系统在整机中占有极其重：#d#az要的地位，其动力学学性能直接影响到了发动机工作的可靠性和耐其中，，，，YA，在曲柄连杆机构的动力学模型中，所以曲轴久性。所以对于某一型号新型发动机，对其核心部件曲轴连杆系统主轴承系统动力学与曲柄连杆机构动力学相互耦合，互相影响。做动力学分析就显得极其重要了，本文就针对某一新型发动机，对在建立曲轴活塞连杆系统动力学模型、活塞缸套流体动压模型、其特殊的曲轴连杆活塞系统，做动力学建模并进行数值模拟，从而曲轴主轴承流体动压模型之后，系统整体模型就建立完毕。得到其动力学参数。2数值模拟1系统动力学

3、建模求解方法确定。1．1活塞受力分析求解雷诺方程，运用有限差分法进行差分，然后用SOR超松弛活塞受力分析，为活塞侧向油膜支撑力，F，为活塞侧向摩擦迭代法进行迭代求解，可以求得油膜压力的分布，然后在活塞表面对力，其方向由活塞的速度方向决定，，，为连杆小头给活塞销的力，压力分布进行积分，得到油膜对活塞的侧向压力和摩擦阻力。E点为活塞的质心，其中活塞的质量为m，活塞销的质量为。根据所建立的曲轴连杆活塞动力学模型、活塞缸套流体动压模型、』为活塞绕活塞销中心转动的转动惯量，而为活塞绕活塞质心转动的转动惯量。为油膜压力转矩，为油膜主阻力力矩。曲轴主轴承流体动压模型，结合具体的发动机模型，按照所确定的

4、算法和求解流程，进行编程求解，得到活塞二阶运动以及活塞、曲轴受方向力平衡方程：(m^+m)=Fl—的油膜力。】，方向力平衡方程：(+)‘=一一(m％)g千3计算结果分析活塞力矩平衡方程：le’=‘(+e3)+M一M：一‘H1一’e33．1活塞二阶运动结果分析对曲轴、连杆、活塞分别进行运动学、受力分析以后，通过彼此通过对模型的编程求解，可以得到六组活塞的二阶运动规律及六之间的几何关系约束，作用力反作用力关系，可以消去中间量，将活组活塞所受的油膜侧向力以及摩擦阻力的变化情况，由于活塞的二阶运动主要受到燃爆力和惯性力的综合作用，所以六组活塞的二阶运动塞的往复运动、连杆运动、曲轴运动均用曲轴处的

5、，，，，表示，然后结合活塞的二阶运动，从而得到整体系统动力学。及受力情况变化规律基本类似，相差一定的相位角，而计算结果也说1．2活塞缸套系统流体动压建模明这个趋势，所以此处重点分析其中一组活塞的二阶运动与所受油膜PafirNadir和ChengH．S在1978年提出的模型，经吴承伟教授侧向力、摩擦阻力的变化规律。改进，含有接触因子、压力流量因子和剪切流量因子的普通雷诺方程可以看出，在发动机的工作循环过程中，活塞不仅要在缸套内适用于本文模型，经过必要的简化和假设，结果具体模型，可以得到做往复运动，而且要做横向的微小平动和偏摆，即大部分的时候，活塞一缸套系统的平均流量模型雷诺方程简化为：或者

6、并不处于缸套的中心位置，而是处于两侧比较靠近活塞缸壁的afl，ha方a、J1af，h3、J位置，由图6可以知道，在一个周期内，活塞要经过四次换向，在70。左右的时候，活塞靠近缸套的右壁，且偏摆角为正，活塞裙部6~bcUpOh：Uy一6trup萼￡y一6嗽Kc。s0+l2娑上端更接近于缸壁，在300。左右的时候，活塞靠近缸套的左壁，h~71且偏摆角为负，所以活塞裙部的上端更接近与缸壁，在345。左右该方程中，所有粗糙度和接触变形对动压润滑的影响都归结于四的时候，活塞的横向位移和偏摆量均达到最大，活塞在此刻迅速靠个因素：，，绣，。，，蟊分别为两个方向的压力流量因近缸套的右壁，且在短时间内快速

7、大幅度的变向，因为此刻活塞正子以及剪切流量因子，是表面粗糙度纹向参数Y和膜厚比日的函数，处于315。一495。做功冲程，活塞快速从缸套左侧接近缸套的右壁，噍为接触因子，为膜厚比Ⅳ的函数，与粗糙度纹向参数无关。R为活塞的半径；0为活塞周向角度；h为油膜的厚度，可以通过活塞的二活塞的二阶运动在此刻达到最大，横向位移的最大值为0．05mm。在570。左右的时候，活塞靠近缸套的左壁。由以上的曲线变化可阶运动参数来表示；y为缸套轴向方向；1为