158F汽油机活塞二阶运动仿真分析及性能优化

作     者：任建敏 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张力;肖楠

授予年度：2014年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：发动机 活塞二阶运动 仿真分析 优化 

摘      要：内燃机噪声按照其产生机理分为机械噪声、燃烧噪声以及空气动力学噪声。活塞敲击力是内燃机振动的主要激励源，也是产生机械噪声的主要因素。活塞在缸内的敲击运动加剧了活塞与缸套的摩擦损失，严重时引起缸套穴蚀，导致缸套漏油漏气漏水等一系列故障，从而影响发动机的正常工作。活塞敲击力实际产生于活塞的二阶运动，研究活塞在缸内的二阶运动成为国内外学者的一个重要的研究课题。 本文以158F型发动机为研究对象，对其所配备的两种不同型线的活塞分别建立有限元模型，在Ansys软件中计算出各自的径向刚度矩阵以及活塞的热变形数据，作为计算活塞二阶运动的边界条件;通过实验得到在特定工况下各自的缸压曲线以及气缸壁面的振动加速度，缸压曲线作为动力输入到AVL-EXCITE中;然后在多体动力学分析软件AVL-EXCITE的PR模块里建立活塞、缸套、连杆、活塞销以及活塞环的模型，输入发动机相关参数及工况条件，进行活塞敲击运动的计算。 首先通过计算活塞二阶运动的径向位移、速度、加速度以及转动角度、角速度、角加速度对活塞在缸内的径向运动和活塞绕销轴的转动做了一般性的结论分析，对活塞的二阶运动有了深刻的认识;其次分别通过计算其在不同转速全负荷工况下以及在同一转速不同负荷下的二阶运动情况，研究了发动机在运行过程中转速和油门开度对活塞敲击力的影响，可以看出，随着转速和油门开度的增大，在不同工况下活塞的轴向刮擦力和径向敲击力的变化趋势一致，且随着转速和油门开度的增大，轴向刮擦力和径向敲击力都有所增大。在整个循环过程，当活塞运行到上止点附近时会出现一次相对最大敲击力和最大刮擦力，而在高转速时在活塞从上止点向下止点运行过程中，会出现非常明显的波动，也就是说该发动机的在高速运行时活塞在气缸内有微小的横向摆动，造成这一问题的主要原因是高速运行时活塞的往复惯性力较大，同时配缸间隙对此也会有一定的影响。 最后通过径向位移、轴向刮擦力和径向敲击力等评价指标对A、B两种不同型线的活塞进行了对比分析，并且与实验测得的振动加速度曲线进行了匹配分析;仿真数据与实验数据趋势一致，验证了模型的正确性，并且仿真与实验均表明B型活塞性能较好;从活塞自身结构方面对影响活塞二阶运动的因素进行了系统分析，并且重点选取了活塞销偏心和配缸间隙两个影响因素对性能较好的B型活塞进行了优化。