内燃机活塞裙部润滑仿真分析

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内燃机活塞裙部设计方法研究

收稿日期：２１００００— ６— ９基金项目：吉林省科技发展计划重点项目（０４３１２００３）
例如，混和稀土可以使过共晶Ａ一４ｉＩ２％Ｓ活塞合金初
晶硅的尺寸基本保持在２Ｉ０ｚ．ｍ左右，且尖角大多钝化
中，活塞裙部缸套摩擦是影响汽车发动机寿命的主要
失效机理之一＿，４因此活塞裙部耐磨研究具有重要的Ｊ
意义。
艺可以提高活塞基体材料的性能。其中，产活塞毛生坯的挤压铸造技术可以使铝合金的抗拉强度和硬度
１活塞裙部材料研究现状
１１活塞裙部基体材料．

目前，动机活塞的主要材料是铝合金及铸铁，发
近期复合材料及陶瓷发动机技术也已投入应用。
在今后一段时期内，、铁和有色金属及其合金仍钢铸
摘要：讨论了活塞裙部在材料、构方面的研究设计现状。其中，活塞裙部材料研究现状的分析包括活塞裙结对
部基体材料和涂层材料两个方面；对活塞裙部结构改进现状的分析包括整体结构和表面形貌两个方面。文章指
出目前活塞裙部改进方法在传统的材料和结构改进方面存在制约因素，且通过对比分析证明在活塞裙部加工并孔形结构形态的活塞具有较好的应用前景。

内燃机曲轴系统动力学与动力润滑耦合仿真

（京理工大学机械与车辆学院，京北北１０８）００１
摘要：建立某Ｖ８增压柴油机曲轴轴系动力学与轴承油膜动力润滑耦合仿真模型，通过相应试验数据进行并校核。通过耦合仿真计算获得各质量点扭振角位移和共振频率，及轴承载荷、心轨迹、小油膜厚度、大油以轴最最膜压力、擦功耗等参数。结果表明，轴承５润滑性能最好，轴承４则最差。与不考虑油膜动力润滑的计算结摩主主
尼矩阵；Ｍ］为激励力矩矩阵；，分别为集中［，质量的角位移、角速度和角加速度。
式（）令Ｍ一０，１中，即可得到无阻尼自由振动数学模型：
多体动力学仿真表明，缸体的动态受力峰值降低，各
膜动力润滑耦合仿真模型，以主轴承为例采用迁移率法进行动力学仿真分析，究计人起着不同零件间的动力耦合作用口。以往学者在］进行曲轴轴系多体动力学仿真时往往忽略油膜动力润滑的影响，者用外阻尼来代替；或气缸阻尼采用经验公式计算，乏通用性。这些简化计算带来较大缺
（）２
式（）得的特征值即为系统固有频率，２求将特征值回代可求得特征向量，即系统的振型。式（）用模态１采叠加法求解强迫振动响应。第ｉｉ１质量点问轴段的扭振附加应力可和＋个

内燃机活塞裙部-缸套摩擦副润滑研究的现状、讨论与展望

一
性的要求不断提高，保证良好的活塞裙部一缸套摩滑分析的研究工作。擦副润滑状况更加重要。为了深入全面地掌握活塞１．析模型和基本方法１分裙部一缸套间的润滑状态，为进行合理的设计提供１１１基本润滑模型．．参考，国内外专家学者进行了大量的研究工作，发ＫｏｌＰｅｅ针对先前学者在研究活塞运ｎｌ和ｅｋｎ表了许多这个专题的研究成果。动中没有考虑活塞裙部润滑的实际．门独立开展，专了活塞裙部润滑问题的研究。认为活塞裙部润滑问
２ＡｈｉｕｍｂｌＩｄｓＣｌｇ，Ｈｆ３０１Ｃｉａ．ｎｕＡｔｏｉｕｔｏｅｅｅｉ０４，ｈｎ）ｏｅｎ￣ｌｅ２
ＡｂｔａｔＩｈｓｐｐｒｔｅｓａｕｎｅｅｏｍｅｔｏａｃｌｔｎａｄｅｐｒｎｅｅｒｈｏｕｒａｉｎｂｈｖｏｆｐｓｏｋｒｉｓｒｃ：ｎｔｉａｅ，ｈｔｔｓａｄｄｖｌｐｎｓｆｌｕａｉｎｘｅｉｃｏｍｅｔｒｓａｃｎｌｂｉｔｅａｉｒｏｉｔｎｓｉｔｎｃｏｉｔｒａｏｕｔｎｅｇｎｅｅｐｅｅｔｄＳｍｅｐｏｌｍｓｅｄｔｅｓｌｅｎｔｅｆｒｈｒｅｅｒｈｗｒｌｏｄｓｕｓｄｎｅｎｌｍｂｓｉｎｉｅｗｒｒｓｎｅ．ｏｒｂｅｅｂｏｖｄｉｔｅｓａｃｅｅａｓｉｃｓｅ．ｃｏｎｏｈｕｒＫｅｒｓｉｔｒａｏｕｔｎｅｇｎ；ｉｔｎｓｉ；ｙｉｄｒｉｅｌｂｉａｉｎｙｗｏｄ：ｎｅｎｌｍｂｓｉｎｉｅｐｓｏｋｒｃｌｅｎ；ｕｒｃｔｃｏｔｎｌｏ

内燃机曲轴主轴承流体润滑性能研究

华中科技大学硕士学位论文内燃机曲轴主轴承流体润滑性能研究姓名：郝秀丽申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：陈国华20080501摘要本文以某型四缸发动机为例，针对该型发动机曲轴第五主轴承发生烧瓦现象，对曲轴主轴承分别进行弹性流体动压润滑和热弹性流体动压润滑数值模拟。

在计算得到曲轴主轴承润滑性能参数基础上，分析产生磨损的原因，并提出相应的改进方案。

本文以Reynolds方程为基础，发展了一种曲轴主轴承弹性流体动压润滑数值分析模型。

模型中考虑了轴承表面粗糙度、空穴现象、弹性变形以及润滑油粘压效应等影响因素。

计算得到最小油膜厚度、最大液动油膜压力、最大粗糙接触压力、轴心轨迹等润滑性能参数。

通过对计算结果的分析发现主轴承存在磨损，并进一步研究了引起磨损的原因，提出相应的改进方案。

通过对所提出的两种改进方案分别进行弹性流体动压润滑分析，对比分析了这两种改进方案对改善轴承润滑性能的效果。

表明通过加宽轴瓦宽度比加粗轴颈直径对改善轴承润滑性能效果要好，从而为主轴承优化设计提供参考依据。

本文以弹性流体动压润滑数值分析模型为基础，结合能量方程，发展了一种曲轴主轴承热弹性流体动压润滑数值分析模型。

模型中考虑了润滑油粘度沿油膜厚度方向上的变化以及温度对润滑粘度的影响。

计算得到了各转速下的最小油膜厚度、最大液动油膜压力、最大粗糙接触压力、润滑油流量、润滑油温度分布等润滑性能特征参数，分析热效应对曲轴主轴承润滑性能的影响及其在工程实际应用中的意义。

关键词：曲轴主轴承弹性流体动压润滑热弹性流体动压润滑AbstractElastohydrodynamic and thermoelstohydyodynamic lubrication analysis for the main bearings of an inline 4-cylinder inner combustion engine are performed, after the fifth main bearing was burnt. According to the obtained results, the reason of burning bearing are analyzed and the improved projects are proposed.According to Reynolds equation, the elstohydrodynamic lubrication model is built which considers the influence of surface roughness, cavity, elastic deformation and viscosity-pressure effect. The comparison and simulation include the following lubrication parameter: minimum oil thickness, peak oil film pressure peak asperity contact pressure and orbital path. As find that there exiting wear on the bearing and point out the reason of bearing wear and improved method. According to the analysis above, the improved projects are proposed, and the elstohydrodynamic lubrication of the improved ones are performed. By comparing the lubrication characteristic of the tow case, it is found that widening the bearing wall is better than thickening the journal.On the basis of the elastohydrodynanic lubrication analysis, combined with energy equation and viscosity-temperature equation, the thermoelastohydrodynamic lubrication model is created, which considers the influence of the oil viscosity change along the oil thickness direction and the viscosity-temperature effect. Then minimum oil thickness, peak oil film pressure, peak asperity contact pressure, oil flow and temperature distribution are studyed to analyze the thermal effect on oil lubrication and the significance in practical application.Keywords: Crankshaft; Main bearing; Elstohydrodynamic lubricationThermoelasohydrdynamic lubrication主要符号表AngR 曲轴转角K 曲轴主轴瓦刚度矩阵 B主轴承宽度 L 连杆长度 c主轴承半径间隙 M 曲轴主轴瓦质量矩阵 C 润滑油比热 p 油膜压力1d 发动机缸径 p 平均油膜压力2d 主轴承直径 r 曲柄半径D 曲轴主轴瓦阻尼矩阵 R 主轴承半径E 曲轴主轴承杨氏模量 t 时间f 曲轴主轴瓦所受油膜压力 T 温度A f 曲轴主轴颈所受外载荷 1u 轴瓦周向运动速度J f 曲轴主轴颈所受油膜压力 2u 轴颈周向运动速度h 名义油膜厚度 U 轴颈和轴瓦周向相对运动速度H 油膜膜厚比 1v 轴颈轴向运动速度m H 油膜最小膜厚比 2v 轴瓦轴向运动速度0h 主轴承最小油膜厚度 V 轴颈和轴瓦轴向相对运动速度x h 主轴承油膜厚度x 向增量 B x 曲轴主轴瓦位移向量y h 主轴承油膜厚度y 向增量 J x 曲轴主轴颈位移向量T h 主轴承实际油膜厚度 w 油膜厚度方向流动速度T h 主轴承平均实际油膜厚度 α 润滑油粘压系数k 润滑油导热系数 γ粗糙表面方向参数1δ主轴承轴瓦粗糙峰高度 1σ 主轴承轴颈表面粗糙度 2δ主轴承轴颈粗糙峰高度 2σ 主轴承轴瓦表面粗糙度 ε主轴承偏心率 σ 粗糙表面综合粗糙度 η润滑油动力粘度 φ 载荷位置角 0η标准环境下润滑油动力粘度 s φ 剪切流量因子 θ油膜填充率 x φ x 方向压力流量因子 θ油膜平均填充率 y φ y 方向压力流量因子 µ 主轴承泊松比ψ 主轴承偏位角 ρ润滑油密度 ω 角速度独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

内燃机活塞裙部配缸间隙对裙部润滑影响的研究

内燃机活塞裙部配缸间隙对裙部润滑影响的研究
杨俊伟，旭东王成焘，友柏１于谢
，
０００西西（海交通大学机械工程学院．海２０３；安交通大学．安上上
７０９１４）０
行了确定，得活塞裙部与缸套的间隙更为合理。使
关
键
词：阶运动；擦功率；二摩配缸间隙
文献标识码：Ａ
中图分类号：ｌＴＨｌ７
零
ＴｈｅＥｆｅｔｆＲａａｅｒｎｃｔｅｓｏｎａｆｃｓｏｄｉｌＣｌａａｅＢｅｗｅｎＰｉｔｎｄＣｙｌｎｒＢｏｅｏｎＰｉｔｎＬｕｂｒｃｉｉｄｅｒｓｏｉａｔｏｎ
Ｒｅｎｌｓｅｕｔｏ．Ｔｈｏｒｓｏｄｎｏｐｔｒｐｏｒｍａｅｕｅｏｃｌｕａｅｔｅｅｔｅｔａｅｔｒｆｉｔｎａｄｙｏｄｑａｉｎｅｃｒｅｐｎｉｇｃｍｕｅｒｇａｃｎｂｓｄｔａｃｌｔｈｎｉｒｊｃｏｙｏｓｏｎｒｐ
图ｌ活塞系统几何尺寸以及作用在活塞上的力和力矩
图ｌ．塞沿气缸往复运动的位置、度和加速度皆中活速
通过参考同类型内燃机活塞进行初步设计．后在试验机然上进行试验．样耗时耗费．时难以达到较高的精度要这同

内燃机工作过程瞬态仿真分析研究

内燃机工作过程瞬态仿真分析研究随着科技的不断发展，人们对各种机器的性能要求也越来越高。

内燃机就是其中之一。

它在我们生活中的应用非常广泛，例如汽车、摩托车、飞机和船舶等。

因此，深入研究内燃机的工作过程对于提高其性能和效率非常重要。

在这方面，瞬态仿真分析方法是一种有效的工具，它可以帮助我们更好地理解内燃机的工作过程，并为其优化提供指导。

一、内燃机的工作原理内燃机是一种利用燃料在氧气中燃烧产生高温高压气体，然后通过活塞的上下运动将热能转化为机械能的热机。

内燃机主要分为四个步骤：吸气、压缩、燃烧和排气。

在吸气阶段，活塞从机缸顶部运动到底部，使燃油和空气混合物通过活塞头部的气门进入机缸。

当活塞到达底部时，气门就关闭了，然后活塞开始向上移动，使混合物被压缩。

在燃烧阶段，混合物被火花点燃，燃烧产生的高温高压气体将活塞推向底部，同时驱动车轮或者其他负载。

在排气阶段，活塞再次向上运动，将废气推出机缸。

正是由于内燃机的这些过程，我们才能使用汽车、摩托车或其他机器来满足我们的需求。

二、内燃机工作过程瞬态仿真分析内燃机的瞬态仿真分析通过数值模拟来研究内燃机的动力和性能。

该方法基于物理和化学定律，以及实验数据和计算方法，使用计算机建立数学模型并模拟实际运作情况。

它对于研究内燃机的运作过程和性能提供了一种更好的方法，具有以下优点：1. 该方法可以帮助我们更好地理解内燃机的工作原理和机理，以及动力学和热力学过程。

2. 内燃机的瞬态仿真分析可以提供准确和实时的性能数据，例如功率、扭矩、热效率和排放量等。

3. 该方法可以帮助我们提前发现机械问题和性能不佳的部件，并进行优化和修复。

瞬态仿真分析的关键是建立一个准确的数学模型，该模型需要考虑各种因素，例如内燃机的构造、物理和化学变化、燃料和排放等。

此外，还需要考虑运行条件和负载等因素，在模型中进行合理选择设置。

最后，使用电脑模拟内燃机的启动和运行，以获得与实际情况相符的结果。

三、实践应用瞬态仿真分析已经在内燃机领域得到了广泛应用。

内燃机活塞裙部二次型线的弹性流体润滑分析

ｆｉｌｍｓｃａｎｃｏｍｅｉｎｔｏｂｅｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｍｕｌｔｉｐｌｅｗｅｄｇｅｓｈａｐｅｓｅｘｉｓｔｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｉｓｔｏｎａｎｄｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｌｉｎｅｒ．Ｔｈｉｓｉｓｂｅｎｅｆｉ· ｃｉａｌｆｏｒｔｈｅｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｇｕｉｄｅｏｆｔｈｅｐｉｓｔｏｎ．Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｌｏｓｓｏｆｔｈｅｐｉｓｔｏｎｓｋｉｒｔｃａｎｍｉｎｉｓｈｆｏｒｑｕａｄｒａｔｉｃｓｋｉｒｔｐｒｏ一
２００８年１１月第３３卷第１１期
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＧ
ＮＯＶ．２００８Ｖｏｌ＿３３Ｎｏ．１１
内燃机活塞裙部二次型线的弹性流体润滑分析
孟祥慧谢友柏
（上海交通大学机械与动力工程学院上海２００２４０）
内燃机活塞裙部的摩擦学行为对内燃机的运行性能有非常重要的影响。最初Ｈｅｌｄｔ…和Ｂｕｒｒｅｌｌ等曾分别从动力学平衡的方法来研究活塞的敲缸问题，但是由于没有考虑活塞裙部和缸套间的流体动力润滑问题，计算结果与实际情况有较大出入。后来，Ｐａｔｉｒ等 “ 提出了流体动压润滑的平均流量模型。等把活塞受力平衡方程和流体润滑方程结合起来，从而使该领域的研究前进了一大步。ＺｈｕＤ等。考虑了表面粗糙度、活塞裙部型线、热变形和二阶运动，建立了活塞裙部与缸套间的混合润滑模型。Ｋｏｉｚｕｍｉ等学者通过对活塞裙部轮廓线型进行优化，使活塞
ＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＱｕａｄｒａｔｉｃＳｋｉｒｔＰｒｏｆｉｌｅｓ

内燃机工作过程仿真及参数优化研究

内燃机工作过程仿真及参数优化研究随着汽车使用的普及和出行方式的多样化，内燃机作为传统动力系统，对汽车性能的提升和环保要求的满足依然有着重要的地位。

因此，如何对内燃机工作过程进行仿真和参数优化，已成为内燃机领域的热门研究方向之一。

一、内燃机工作过程简介内燃机利用可燃混合气体燃烧后产生的高温高压气体向活塞施加作用力，通过连杆和曲轴的协同作用，将活塞的往复运动转化为曲轴轴线方向的旋转运动，从而驱动车辆行驶。

内燃机工作过程包括吸气、压缩、燃烧和排气四个过程。

在吸气过程中，随着活塞向下运动，气门打开，气缸内压力较低，外部空气进入气缸内；在压缩过程中，随着活塞朝上运动，气门关闭，压缩可燃混合气体，使气缸内的温度和压力急剧升高；在燃烧过程中，燃料与空气混合后，在火花塞的作用下燃烧，产生高温高压气体向活塞施加作用力，使活塞向下运动；在排气过程中，随着活塞持续向上运动，气门打开，将气缸内的废气排出。

二、内燃机仿真技术应用1. 仿真原理内燃机仿真技术是利用计算机对内燃机工作过程进行数值模拟，通过模拟不同条件下内燃机燃烧过程的影响，评估不同参数组合对内燃机性能的影响，从而实现内燃机参数优化的目的。

在内燃机仿真背后的数值计算中，需要建立一套包括三维气缸、运动学配合、热力学过程和燃烧分析的模拟方案，从而模拟出吸气、压缩、燃烧和排气四个过程。

这些模型需要将内燃机中的物理过程、热力学循环和燃烧过程映射到包括活塞和气缸壁温度及压力的计算方法中。

此外，也需要考虑气缸内流动、燃料和空气混合、点火、污染排放等多个因素。

2. 优势与应用在实际内燃机设计中，仿真技术不仅可以使设计师在计算机环境中快速构建样机、模拟流程和检测性能，还可以加速设计过程、减少试验时间和成本，增加对设计影响机理的理解。

尤其在新能源汽车设备、氢能和电力汽车领域，仿真技术尤为重要。

三、内燃机参数优化方法1. 燃烧室设计优化燃烧室设计直接影响着内燃机的燃烧效率和排放性能。

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机的振动、噪声和使用寿命都有直接的影响。
因此，通过合理的布置活塞裙部与缸套间的油膜，提高其间的润滑性能，对降低发动机的机械损失及减轻活塞对缸壁的冲击都有实际意义。
图１活塞系统几何尺寸及受力分析
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅ，ｒｉｆｃｔｉｏｎｌｏｓｓａｎｄＳＯｏｎ，ｔｈａｔｒｅｆｌｅｃｔｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｓｔａｕｓｔ。ｃｏｕｌｄｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｃｒａｃｋａｎｇｌｅｕｎｄｅｒｅｎｇｉｎｅｒｕｎｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ，ａｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｍｐｕｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ
Ｄｅｓｉｇｎ＆ｒｅｓｅａｒｃｈ设计与研究
内燃机活塞裙部润滑仿真分析
陶鑫，林杰
（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州５１０７００）
摘要：本文以活塞一缸套这对摩擦副为研究对象，建立了活塞裙部混合润滑的数学模型。该模型考虑了活塞二阶运动、润滑表面粗糙度等因素对润滑的影响，结合运动方程和平均雷诺方程，可以计算表征活塞与缸套间润滑性能的包括摩擦力及摩擦功耗在内的各参数在各曲柄转角下的值，比较全面地反映了活塞裙部的润滑状态。基于数学模型，编制了ＦＯＲＴＲＡＮ程序，并进行了算例计算。关键词：活塞裙部；润滑；二阶运动；仿真
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｐｉｓｔｏｎｓｋｉｒｔｉｎｍｉｘｅｄｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙ
１前言内燃机工作时，燃烧室的气体压力推动活塞沿缸套轴线方向往复运动的同时，由于侧向力的作用，会
在连杆平面内做微小的摆动和平动，即二阶运动。在此过程中形成了活塞裙部一缸套这对摩擦副，它是发
动机机械损失的主要来源。另外，二阶运动也对内燃
ｂｙＦ０ＲＴＲＡＮｌａｎｇｕａｇｅ．ｗｉｔｈｗｈｉｃｈａｎｅｘａｍｐｌｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｓｔｏｎｓｋｉｒｔ；ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｓｅｃｏｎｄａｒｙｍｏｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
转角的函数。在垂直于活塞销的平面内，作用在活塞
２数学模型
２．１活塞二阶运动方程
上的力和力矩将引起活塞在缸套内作微小的平动和转动，由此而产生的活塞裙部顶端和底端的偏心运动，活塞系统几何尺为ｅｔ和ｅｂ。在这些力和力矩中，ＦＧ是由燃烧室中气体
ｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｐａｉｒｒｉｆｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｓｔｏｎｓｋｉｒｔａｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒ．Ｉｔｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈｅｅｆｅｃｔｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｍｏｔｉｏｎｏｆｐｉｓｔｏｎｓｋｉｒｔｏｎｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｉｏｎａｎｄｔｈｅＡｖｅｒａｇｅＲｅｙｎｏｌｄｓＥｑｕａｔｉｏｎ．ｔｈｅ
中图分类号：Ｕ６６４．１２１文献标识码：Ａ
Ａｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｐｉｓｔｏｎｓｋｉｒｔ
ＴＡＯＸｉｎ，ＬＩＮＪｉｅ
（ＣＳＳＣＨｕａｎｇｐｕＷｅｎｃｈｏｎｇＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０７００）
寸以及作用在活塞上的力和力矩，如图１所示。活塞沿压力产生的作用在活塞系统上的力；Ｆ是作用在活塞裙