李 恒，周 濤，劉國斌

（中國航天科工六院41所，呼和浩特 010010）

六缸發(fā)動機活塞動力學(xué)建模與數(shù)值仿真研究

李 恒，周 濤，劉國斌

（中國航天科工六院41所，呼和浩特 010010）

本文在考慮活塞二階運動與曲軸在主軸承中的徑向運動的基礎(chǔ)上，對新型發(fā)動機的曲軸連桿活塞系統(tǒng)進行動力學(xué)建模，建立了活塞缸套間的流體動壓模型、曲軸主軸承間的流體動壓模型，然后對整體模型進行進行綜合求解，在確定計算流程之后，由此算法編制For tran語言進行求解，得到活塞二階運動的變化規(guī)律以及曲軸在主軸承中的徑向運動規(guī)律。

二階運動；動力學(xué)建模；數(shù)值仿真

隨著全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重和能源的不斷枯竭，提高發(fā)動機的性能，研發(fā)新型高效率低能耗的發(fā)動機已經(jīng)成為必然趨勢。而作為發(fā)動機中主要的動力機構(gòu)，曲軸連桿活塞系統(tǒng)在整機中占有極其重要的地位，其動力學(xué)學(xué)性能直接影響到了發(fā)動機工作的可靠性和耐久性。所以對于某一型號新型發(fā)動機，對其核心部件曲軸連桿系統(tǒng)做動力學(xué)分析就顯得極其重要了，本文就針對某一新型發(fā)動機，對其特殊的曲軸連桿活塞系統(tǒng)，做動力學(xué)建模并進行數(shù)值模擬，從而得到其動力學(xué)參數(shù)。

1 系統(tǒng)動力學(xué)建模

1.1 活塞受力分析［2］［3］

對曲軸、連桿、活塞分別進行運動學(xué)、受力分析以后，通過彼此之間的幾何關(guān)系約束，作用力反作用力關(guān)系，可以消去中間量，將活塞的往復(fù)運動、連桿運動、曲軸運動均用曲軸處的表示，然后結(jié)合活塞的二階運動，從而得到整體系統(tǒng)動力學(xué)。

1.2 活塞缸套系統(tǒng)流體動壓建模

Patir Nadir和Cheng H.S在1978年提出的模型［4］，經(jīng)吳承偉教授改進，含有接觸因子、壓力流量因子和剪切流量因子的普通雷諾方程適用于本文模型，經(jīng)過必要的簡化和假設(shè)，結(jié)果具體模型，可以得到活塞-缸套系統(tǒng)的平均流量模型雷諾方程簡化為：

該方程中，所有粗糙度和接觸變形對動壓潤滑的影響都歸結(jié)于四個因素：，，，。，，分別為兩個方向的壓力流量因子以及剪切流量因子，是表面粗糙度紋向參數(shù)γ和膜厚比的函數(shù)，為接觸因子，為膜厚比的函數(shù)，與粗糙度紋向參數(shù)無關(guān)。為活塞的半徑；θ為活塞周向角度；為油膜的厚度，可以通過活塞的二階運動參數(shù)來表示；為缸套軸向方向；η為潤滑油的粘度；為平均流體壓力；為時間；為活塞的軸向速度；為活塞的橫向速度。

1.3 曲軸主軸承系統(tǒng)流體動壓建模

在建立曲軸活塞連桿系統(tǒng)動力學(xué)模型、活塞缸套流體動壓模型、曲軸主軸承流體動壓模型之后，系統(tǒng)整體模型就建立完畢。

2 數(shù)值模擬

求解方法確定。

求解雷諾方程，運用有限差分法進行差分，然后用SOR超松弛迭代法進行迭代求解，可以求得油膜壓力的分布，然后在活塞表面對壓力分布進行積分，得到油膜對活塞的側(cè)向壓力和摩擦阻力。

根據(jù)所建立的曲軸連桿活塞動力學(xué)模型、活塞缸套流體動壓模型、曲軸主軸承流體動壓模型，結(jié)合具體的發(fā)動機模型，按照所確定的算法和求解流程，進行編程求解，得到活塞二階運動以及活塞、曲軸受的油膜力。

3 計算結(jié)果分析

3.1 活塞二階運動結(jié)果分析

通過對模型的編程求解，可以得到六組活塞的二階運動規(guī)律及六組活塞所受的油膜側(cè)向力以及摩擦阻力的變化情況，由于活塞的二階運動主要受到燃爆力和慣性力的綜合作用，所以六組活塞的二階運動及受力情況變化規(guī)律基本類似，相差一定的相位角，而計算結(jié)果也說明這個趨勢，所以此處重點分析其中一組活塞的二階運動與所受油膜側(cè)向力、摩擦阻力的變化規(guī)律。

可以看出，在發(fā)動機的工作循環(huán)過程中，活塞不僅要在缸套內(nèi)做往復(fù)運動，而且要做橫向的微小平動和偏擺，即大部分的時候，或者并不處于缸套的中心位置，而是處于兩側(cè)比較靠近活塞缸壁的位置，由圖6可以知道，在一個周期內(nèi)，活塞要經(jīng)過四次換向，在70°左右的時候，活塞靠近缸套的右壁，且偏擺角為正，活塞裙部上端更接近于缸壁，在300°左右的時候，活塞靠近缸套的左壁，且偏擺角為負，所以活塞裙部的上端更接近與缸壁，在345°左右的時候，活塞的橫向位移和偏擺量均達到最大，活塞在此刻迅速靠近缸套的右壁，且在短時間內(nèi)快速大幅度的變向，因為此刻活塞正處于315°—495°做功沖程，活塞快速從缸套左側(cè)接近缸套的右壁，活塞的二階運動在此刻達到最大，橫向位移的最大值為0.05mm。在570°左右的時候，活塞靠近缸套的左壁。由以上的曲線變化可以知道，活塞在整個運行過程中，更接近于右壁。

4 結(jié)束語

本文對曲軸、六組連桿活塞、主軸承、缸套整體系統(tǒng)進行了動力學(xué)建模，并進行數(shù)值模擬，求解得到活塞二階運動的規(guī)律，得到對實際設(shè)計有指導(dǎo)意義的結(jié)果。在以后的研究中，作者將使用動力學(xué)仿真軟件adams對系統(tǒng)進行仿真，與數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，驗證修正模型，在后續(xù)分析中，模型將加入溫度的影響因素，并考慮活塞環(huán)的影響，使模型更接近與真實情況。

【參考文獻】

［1］劉延柱.高等動力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］郭磊，郝志勇，張鵬偉，劉波.活塞動力學(xué)二階運動的仿真方法與試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2009；30（6）：41-47.

［3］張文平，李全，鄒德全.活塞二階運動過程及活塞刮擦力分析［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2005；26（4）：493-497.