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基于EXCITEPR的某汽油机活塞动力学分析及优化研究朱君亮1郝志勇1郑康1史来峰2（1浙江大学汽车与发动机振动噪声实验室，杭州；2东风汽车公司技术中心，武汉）摘要：本文建立了某四缸汽油机活塞组件动力学模型，从多方面分析其二阶运动过程，详细介绍了多种工况下活塞裙部型线、配缸间隙和活塞销偏置对活塞二阶运动的影响，以活塞敲击能和摩擦损耗为主要评价标准，提出了相应的优化方案，有效地降低了活塞对缸套的敲击，对活塞整体优化提供了可靠依据。关键词：活塞、二阶运动、敲击能、摩擦损失、优化设计主要软件：ExcitePR、HyperMesh、Abaqus、CATIA1.前言随着我国汽车产业的高速发展，用户对乘坐舒适性的要求也越来越高，从而推动了人们对汽车NVH的深入研究，这也让发动机的振动噪声性能显得尤为重要。内燃机噪声按产生机理可以分为机械噪声、燃烧噪声和空气动力学噪声，而活塞敲击噪声又是机械噪声中最重要的部分。因此，作为一种常见的NVH现象，研究其产生机理和影响因素对降低整机的振动噪声具有重要意义。内燃机工作过程中，活塞受到气缸压力和往复惯性力的作用，在气缸内作往复直线运动。同时由于活塞和气缸壁之间间隙的存在，活塞也作径向运动和绕销的转动，称为活塞的二阶运动。由于二阶运动，活塞周期性地敲击缸套，引起发动机表面振动，从而产生噪声。活塞敲击噪声受到活塞强化程度、配缸间隙、活塞型线、活塞销偏置等诸多因素的影响。本文通过建立某汽油机活塞组件动力学模型，分析其运动过程，详细讨论了各因素对活塞二阶运动的影响，提出了具体优化措施。2.活塞动力学模型建立模型的建立相对简单，图1即为搭建好的活塞动力学模型，其中包括活塞、连杆、活塞销、缸套和活塞环，活塞环为当量环组，只考虑其质量和惯量。连杆、缸套和活塞销作为刚体考虑，绞连接间隙为零，活塞作为柔性体考虑，需要对其刚度进行定义。活塞刚度仅考虑其半径方向的变形，用径向刚度来表明其在一定力作用下的变形。为方便计算，软件在计算时进行了以下几点重要假设：（1）仅考虑在TS和ATS构成的平面中的活塞运动：仅列出该平面中的动力学方程；（2）曲轴恒速旋转：不考虑任何转速不均匀性造成的影响；（3）活塞和缸套多项式轮廓：图1活塞动力学模型用多项式来拟合表面，并进行插值；模型搭建完成后，需要输入活塞组型线数据、质量、惯量等设计参数，以及缸压数据、摩擦副和机油粘度等运行参数。2.1缸压数据图2为1200r/min、最大扭矩、最高转速时缸压数据和曲轴箱压力。图2缸压和曲轴箱压力图3活塞缸套热态型线2.2活塞和缸套型线数据通过有限元方法对活塞和缸套计算，可得到其温度场。图3为活塞在上止点和下止点与缸套的热态配合型线，其中配缸间隙为0.7mm。由于活塞为柔性体，下止点处少量过盈是允许的。2.3活塞刚度矩阵活塞作为弹性体，需要对其径向刚度进行准确定义，用来表示活塞特定区域在外载作用下的弹性变形能力。活塞刚度会影响活塞运动和受理状况，一般用有限元的方法计算，简便而且精度高，最终得到活塞34×34的刚度矩阵，具体计算流程见图4。图4活塞刚度矩阵计算流程2.4各部件几何数据图5中活塞组各部件的质量，转动惯量，重心位置等在三维软件CATIA中测得。图5活塞组件3.动力学计算结果分析3.1换向平稳性图6为1200r/min活塞进气-做功冲程的换向示意图。可以看出：在换向前后，活塞头部没有和缸套接触。在上止点前，裙部已经和缸套接触，换向过程中，ATS侧压力由大到小，TS侧压力由小到大，实现圆滑过渡，未出现较大敲击。图6活塞换向示意图3.2运动平稳性图7为1200r/min一个工作循环内活塞径向位移和角位移变化示意图。活塞的径向位移和角位移最大值均出现在最大爆发压力后，活塞下行时。最大角位移出现在CA26度。在下止点附近，活塞横向位移和角位移均较小，这和下止点附近活塞和缸套间隙较小有关。图7径向位移和角位移3.3活塞敲击能活塞对缸套的敲击能量主要包括活塞径向平移运动产生的动能和绕销轴转动产生的转动动能之和，是衡量活塞敲击噪声的主要指标。从图8可以看出，最大活塞敲击能出现在燃烧上止点处。通过分析平动动能和转动动能也可发现，平动动能除了燃烧上止点时刻较大以外，其它时刻均较小，敲击能峰值中转动动能贡献最大。因此，活塞敲击噪声控制可针对活塞转动动能和平动动能对总敲击能的贡献量大小开展相关针对性的研究和控制措施。图8活塞敲击能在一个工作循环内变化情况3.4摩擦损耗通常用FMEP（摩擦平均有效压力）来反映机械损失功率。研究表明，整体机械损失功率很大一部分来自活塞组的磨损。图9(a)中柱形图为一个工作循环内各个冲程摩擦损失占总损失的比例图。可看出压缩冲程中摩擦损失占绝大比例，因为此时气缸内压力较大，活塞和缸套间接触力也较大，从而加剧其磨损。图9(b)中饼形图表示活塞环与缸套，活塞与缸套（TS&ATS），连杆小头轴承，环与环槽之间的摩擦损失占总损失的比例，也可看出磨损很大一部分来自活塞环和缸套之间摩擦，其次为活塞与缸套间摩擦。图9活塞组磨损示意图4.活塞动力学优化设计研究结合上述仿真分析结果和同类机型设计参数，对活塞裙部型线、配缸间隙和活塞销偏置进行优化设计，目的为降低活塞敲击能和摩擦损失。事实说明，在多数情况下，二者为相互矛盾的关系，因此在设计时需要认真权衡。4.1裙部纵向型线活塞裙部在活塞运动过程中起着导向作用，为了保证其工作的平稳性和耐久性，必须满足低磨损低噪声的设计要求。活塞在工作过程中，沿轴线的温度分布很不均匀，顶部温度高，而且头部的温度梯度比裙部要大，所以外圆面原则上设计成上小下大的型面。目前，纵向截面也由一般的圆锥面发展到中凸曲面，这样设计的活塞在热变形后依然能保持中凸桶形，产(a)(b)生双向油楔间隙，获得良好的润滑作用和活塞稳定导向，避免产生裙部的应力集中，改善了活塞的工作条件。图10活塞原始型线和设计图图10为活塞原始型线和相应的设计图。优化时针对Ctop（裙部上端缩减量）、Cbom（裙部下端缩减量）和Hc（裙部中凸点高度），采用多种方案，在多种工况下分析其对活塞二阶运动的影响。图11即为活塞敲击能和摩擦损失受其影响的变化情况。图11活塞敲击能和摩擦损失随Ctop、Cbom、Hc变化示意图通过分析，取合适数值,得到优化后的型线如图12,主要思想为减小裙部上下端和缸套间隙及增大中凸点高度。图12活塞裙部冷态原始型线和优化型线1200r42006000r4200r6000r1200r图13为1200r，4200r，6000r下优化前后活塞径向位移和活塞摆角示意图。通过观察可以发现，优化后的活塞径向位移和摆角较优化前都有一定幅度的减小，说明优化后的活塞二阶运动更加平稳，提高了其工作的稳定性，从而降低了对缸套的敲击。图131200r、4200r、6000r优化前后活塞径向位移和摆角对比图图14为优化前后1200r、4200r、6000r下，活塞对缸套TS侧某点动态敲击力对比。可以发现，活塞对缸套的敲击力均有一定幅度的减小，尤其在高转速时，优化效果更加明显，不仅整体范围内敲击力有所减小，并且一些不合理的尖峰值通过优化取得了良好的效果。图141200r、4200r、6000r活塞对缸套上某点动态敲击力4.2配缸间隙配缸间隙对活塞二阶运动有重要的影响，随着配缸间隙增大，活塞摩擦损失减小。当配缸间隙大于一定数值后，摩擦损失不再发生较大变化，而活塞敲击能随着配缸间隙增加而急剧增大。采用9组方案，分析其对活塞二阶运动的影响。图15即为活塞敲击能和摩擦损失。图151200r、4200r、6000r活塞敲击能和摩擦损失随配缸间隙变化示意图随配缸间隙的变化情况，从图中可以看出：当配缸间隙增大时，活塞敲击能急剧上升，而摩擦损失则不断减小，当增大到0.06mm时，摩擦损失基本不再变化。一般来说，配缸间隙愈小，活塞敲击噪声愈小，而活塞摩擦损失与之相反。因此设计时，需谨慎考虑，间隙过小，容易发生卡死、拉伤和摩擦急剧等现象；间隙过大，则会引起较大的敲击噪声，因此需要对其进行合理控制。从图中可以看出，配缸间隙取0.04-0.06mm是比较合理的。4.3活塞销偏置量在活塞结构设计中，如果活塞销对中布置，在发动机运行过程中，活塞越过上止点侧压力方向发生改变，此时缸内爆发压力较大，活塞从副推力侧突然整体移动到主推力侧，会对气缸壁面造成巨大的冲击，从而引起很大的敲击噪声，影响其工作的稳定性，因此在设计时活塞销常有一定的偏置量。为了降低活塞的敲击噪声，活塞销一般偏向主推力侧。这样在活塞越过上止点时，裙部下端首先与缸套接触，然后通过中部逐渐过渡，实现平滑换向。图16即为不同活塞销偏置量下活塞敲击能和摩擦损失的变化情况，可以看出，活塞销偏TS距离越大，摩擦损失在各个转速下都呈上升趋势。活塞敲击能在大部分转速范围内呈下降趋势，只是在高转速时有一峰值，最终也直线下降，设计时需要避开这一峰值。图16不同活塞销偏置量对活塞敲击能和摩擦损失的影响当然不能为了减小活塞敲击能而一味地增大偏置量，需要避免偏置不当使活塞发生绕销轴有较大的转角，导致活塞体头部与另侧缸套接触而引起拉缸现象，使摩擦损失增加，甚至影响其工作寿命。图17不同活塞销偏移量活塞摆角和活塞换向示意图（PinOffset-2mm）图17即为1200r下不同活塞销偏移量活塞在一个循环内的摆动角。可以看出偏置量越大，活塞在换向时的摆动角也越大，这样很容易引起活塞头部和缸套接触。如图中所示，当偏置量为2mm时，在换向时ATS侧活塞头部和缸套发生接触，由于活塞头部刚度较大，极易拉伤缸套，因此要避免这种现象的发生。总之，通过综合考虑，活塞销偏置量在0.3mm~0.5mm时比较合理。5.结语(1)通过EXCITEPR软件进行活塞动力学计算，得到活塞二阶运动的完整信息，为整机振动噪声仿真研究提供可靠的边界条件。(2)在多工况下研究了活塞纵向型线、配缸间隙和活塞销偏置量对活塞二阶运动的影响，并提出了相应的优化建议，从而有效地改善了活塞对缸套的敲击，达到了理想效果。(3)活塞动力学计算及优化过程可为工程实践提供可靠指导。参考文献[1]AVLEXCITEPiston&RingsUserGuide.[2]万欣，林大渊.内燃机设计.天津大学出版社.1989[3]庞剑，湛刚.汽车与发动机振动噪声理论与应用[M].北京：科学出版社，2006.[4]郭磊，郝志勇，张鹏伟等.活塞动力学二阶运动的仿真方法与试验研究.内燃机工程，2009，30(6):41～47.[5]蓝军.AVLEXCITEPiston&Ring模型的计算精度控制，AVL2006年用户大会论文集.[6]陶莉莉，刘世英.高性能发动机活塞裙部型面设计分析.山东交通学院学报，2005,13（3）.[7]王政，唐建，于旭东等.活塞裙部型线对活塞系统二阶运动和摩擦功率的影响.内燃机学报，1999.[8]雷基林，申立中，毕玉华等.有限元分析方法在内燃机活塞研究中的应用.拖拉机与农用运输车，2005/8.[9]程婷婷，姚胜华，王金虎等.某柴油机活塞型线优化设计过程研究.现代车用动力，2011/2.[10]陈传举.内燃机活塞裙部型面设计.北京：机械工业出版社，2006.