某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞拉缸優(yōu)化分析

胡志勝，李　波，楊　冰，楊洪震

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽　合肥　230601）

Hu Zhisheng，Li Bo，Yang Bing，Yang Hongzhen

某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞拉缸優(yōu)化分析

胡志勝，李波，楊冰，楊洪震

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230601）

Hu Zhisheng，Li Bo，Yang Bing，Yang Hongzhen

摘要：某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在交變?cè)囼?yàn)過(guò)程中第4缸發(fā)生活塞頭部拉缸故障，為了能夠定量分析活塞與缸套之間的作用力，評(píng)價(jià)優(yōu)化方案的改善程度，建立了活塞-活塞銷-連桿-缸體的動(dòng)力學(xué)分析模型，獲得活塞與缸套之間的動(dòng)態(tài)作用力。分析結(jié)果表明，采用優(yōu)化方案后，活塞與缸套之間的作用力在720～1440°CA曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，降低了88％，并且優(yōu)化后方案順利通過(guò)交變?cè)囼?yàn)驗(yàn)證，完成質(zhì)量整改。

關(guān)鍵詞：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞頭部拉缸；動(dòng)力學(xué)分析

0　引言

發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸是發(fā)動(dòng)機(jī)較為常見(jiàn)的一種故障，一般會(huì)出現(xiàn)功率下降、漏氣量增加、機(jī)油消耗增加、異響等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)活塞破裂、缸體擊穿等嚴(yán)重事故[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞拉缸的本質(zhì)在于活塞與缸套之間的接觸，二者之間發(fā)生干摩擦接觸，接觸力是產(chǎn)生拉缸的根本原因，因此定量分析活塞與缸套之間的作用力對(duì)于拉缸問(wèn)題的解決起到關(guān)鍵作用。

建立活塞-活塞銷-連桿-缸體的動(dòng)力學(xué)分析模型，獲得活塞與缸套之間的動(dòng)態(tài)作用力，即活塞與缸套之間的作用力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在720～1440°CA曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，活塞與缸套之間的作用力降低88％，大大降低了活塞拉缸的可能性。

在完成活塞拉缸的定量分析后，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行交變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)順利完成。

1　故障診斷

某汽油機(jī)活塞在交變?cè)囼?yàn)過(guò)程中發(fā)生拉缸故障，拉缸故障發(fā)生在第4缸（減振器為前端，飛輪端為后端），活塞頭部為重點(diǎn)損傷部位，裙部也有一定損傷，如圖1所示。

2　原因分析

活塞頭部出現(xiàn)拉缸故障，根本原因?yàn)榛钊^部與缸套之間產(chǎn)生干摩擦接觸，產(chǎn)生干摩擦接觸的原因包括：

1）活塞頭部與缸套之間配合間隙??；

2）燃燒室異常燃燒，導(dǎo)致活塞頭部熱變形增加；

3）缸體第4缸變形異常；

4）活塞型線設(shè)計(jì)不合理。

除了活塞頂部異常燃燒，其余3個(gè)影響因素都體現(xiàn)在動(dòng)力學(xué)分析中。建立活塞-活塞銷-連桿-缸體的動(dòng)力學(xué)模型，可以分析得到不同配缸間隙、缸孔型線、活塞型線對(duì)活塞與缸套之間作用力的影響。

3　動(dòng)力學(xué)分析

活塞拉缸動(dòng)力學(xué)分析模型[2]主要包括：缸體、活塞、活塞銷、缸套導(dǎo)向、連桿、連桿大頭軸承、曲軸、主軸承、止推軸承等，動(dòng)力學(xué)分析模型如圖2所示。

本次拉缸出現(xiàn)在第4缸，建立第4缸的活塞、活塞銷、連桿有限元分析模型（如圖3），進(jìn)行力學(xué)縮減，保留節(jié)點(diǎn)自由度，見(jiàn)表1。

表1　動(dòng)力學(xué)縮減保留節(jié)點(diǎn)自由度

活塞溫度場(chǎng)分布是影響活塞頭部變形的關(guān)鍵因素。拉缸故障后，對(duì)4個(gè)缸的活塞均進(jìn)行溫度場(chǎng)檢測(cè)，圖4為第4缸活塞溫度測(cè)量結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果看，該活塞頭部溫度分布正常，不存在異常燃燒。

缸孔變形[3]，特別是熱態(tài)缸孔變形也是影響活塞與缸套之間接觸的關(guān)鍵因素。目前無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)方法直接獲得缸孔的熱態(tài)變形，因此采用缸體缸蓋耦合分析中缸孔熱態(tài)變形的分析結(jié)果，即在缸體缸蓋上施加螺栓預(yù)緊力、溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上得到的缸孔熱變形，具體缸孔變形結(jié)果如圖5所示。

活塞頭部原設(shè)計(jì)方案如圖6（a），優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖6（b），活塞裙部型線如圖7所示。優(yōu)化方案與原方案相比，活塞頭部增加了0.1的橢圓度。

4　結(jié)果分析

針對(duì)活塞頭部原設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，完成動(dòng)力學(xué)對(duì)比分析，獲得活塞與缸套之間作用力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。

計(jì)算中涉及到的坐標(biāo)系為：x軸為從減振器端指向飛輪端；z軸為缸孔軸線方向，從發(fā)動(dòng)機(jī)下端指向缸孔頂部，根據(jù)右手定則確定y軸。從上述坐標(biāo)系定義來(lái)看，y軸方向?yàn)榛钊c缸套之間作用力的主要方向。

圖8為原設(shè)計(jì)方案活塞頭部與缸套之間的作用力；圖9為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案活塞頭部與缸套之間的作用力。動(dòng)力學(xué)計(jì)算共完成2個(gè)周期，由于第1個(gè)周期內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此有參考價(jià)值的為第2個(gè)周期，即720～1440°CA曲軸轉(zhuǎn)角。

在720～1440°CA曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，原方案中，活塞頭部與缸套之間作用力在y方向達(dá)到350N；優(yōu)化方案中，活塞頭部與缸套之間的作用力在y方向?yàn)?0N。對(duì)比分析，活塞頭部與缸套之間的作用力減少了88％，二者之間的接觸力明顯下降。

活塞在缸套中運(yùn)動(dòng)，從理論上來(lái)看，活塞頭部與缸套之間不應(yīng)該發(fā)生接觸。優(yōu)化方案中活塞頭部與缸套之間仍然存在40N的接觸力，這個(gè)作用力與活塞和缸套之間的配缸間隙有關(guān)。由于配缸間隙是一個(gè)范圍，實(shí)際計(jì)算過(guò)程中只有一個(gè)值，因此采用配缸間隙的上限值，這樣會(huì)完全消除活塞頭部與缸套之間的作用力。

原方案活塞頭部與缸套之間的干摩擦接觸壓力為40MPa；優(yōu)化方案活塞頭部與缸套之間的干摩擦接觸壓力為10MPa。具體如圖10、圖11所示。

5　結(jié)論

1）分析活塞拉缸產(chǎn)生的原因，從配缸間隙、缸孔型線、活塞型線角度查找活塞拉缸原因。

2）建立活塞-活塞銷-連桿-缸體動(dòng)力學(xué)分析模型，獲得活塞與缸套之間的接觸力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。

3）優(yōu)化方案與原方案相比，活塞頭部與缸套之間的接觸力下降了88％，證明優(yōu)化方案是有效的。

4）活塞-活塞銷-連桿-缸體動(dòng)力學(xué)模型能夠定量分析活塞（活塞頭部、裙部）與缸套之間的作用力。

參考文獻(xiàn)

[1]宮立意，趙良學(xué)，董學(xué)平，等.用有限元法分析活塞拉缸故障[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2011（8）：56-58.

[2]EXCITE_Piston_Rings_Lube_Oil_Consumption_2013.奧地利AVL，2013.

[3]EXCITE_Piston_Rings_Ring_Dynamics_2013.奧地利AVL，2013.

收稿日期：2015-06-24

文章編號(hào)：1002-4581（2015）05-0041-04

中圖分類號(hào)：U464.133+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2015.05.011