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原文传递考虑发动机系统动力学和动力润滑耦合振动的活塞拍击研究

论文题名：	考虑发动机系统动力学和动力润滑耦合振动的活塞拍击研究
关键词：	发动机;动力润滑;耦合振动;活塞拍击;有限差分方法
摘要：	活塞拍击作为发动机振动噪声最主要的激励源,是发动机振动噪声控制的研究重点。同时,活塞拍击作为活塞与缸套之间的一种振动冲击,引起缸套的高频振动并形成“气泡”,气泡破裂时会产生的强大冲击波,猛烈冲击缸套,使缸套表面产生麻点,进而扩展为泡沫状穴蚀的一种腐蚀磨损现象。因此,研究活塞拍击及其影响因素,对于控制发动机振动噪声性能及发动机结构可靠性具有重要作用。　　传统的活塞拍击分析仅仅考虑活塞与缸套的耦合振动,采用弹簧-阻尼器模拟活塞-缸套之间的润滑油膜的动力学特性,忽略其他零部件弹性振动的影响。但是活塞拍击是发动机系统运转状态下发生的一种冲击振动现象,因此把活塞拍击放在发动机系统层面研究,考虑动力学与动力润滑的耦合振动对其的影响,符合工程实际。　　本文首先根据零部件的局部坐标系和整体坐标系的转化关系,基于弹性振动理论,建立运动机构在整体坐标系下的弹性振动响应方程,并转化到模态坐标下进行求解计算。其次,基于活塞与缸套的间隙,建立了考虑动力润滑和弹性接触的活塞-缸套接触模型,模型根据膜厚比的不同分情况采用完全流体润滑、混合润滑和赫兹接触理论进行活塞拍击力的计算,模拟活塞与缸套的接触动力学行为。最后,基于运动机构的弹性振动响应分析理论,建立了包括活塞、连杆、曲轴、缸体的振动响应分析模型。结合活塞-缸套接触模型,以及其它零部件接合处的弹簧-阻尼模型,建立了发动机耦合振动模型。　　对于活塞-缸套润滑接触模型,通过有限差分方法得到迭代公式后,运用逐次超松弛法进行计算。对于发动机耦合振动模型,通过变步长的四阶龙格库塔数值算法进行计算。与传统模型进行比较后,结果表明:零部件的动力学特性以及油膜润滑对于活塞拍击的影响是不能忽略的重要因素;当考虑连杆、曲轴、缸体的弹性振动特性后,最大活塞拍击力的幅值会有改变;当考虑油膜的动力润滑特性以后,在燃气压力爆发时刻,最大的活塞拍击力有所变化,在惯性力为主要作用力时刻,活塞次推力面的活塞拍击力有所改变。　　基于考虑发动机系统动力学和动力润滑耦合振动的活塞拍击模型,深入研究了配缸间隙、活塞裙部型线、活塞销偏置以及活塞重心位置等参数对于活塞拍击和活塞二阶运动的影响。结果表明:保持活塞裙部上端与缸套较小间隙时,在保证活塞运行过程中不刮伤缸套,不发生卡死的前提下,应该尽量减小配缸间隙,以及活塞在设计阶段,活塞重心位置的布置,都可以较大幅度降低活塞拍击;通过将活塞销中心点位置向活塞主推力面偏置0.5mm~1mm,能够有效降低活塞拍击。　　因此,本文建立的考虑发动机系统动力学和动力润滑耦合振动的活塞拍击模型,对于研究活塞拍击产生机理、影响因素和进行降低活塞拍击措施的评价,具有重要意义。
作者：	袁林
专业：	机械设计及理论
导师：	郑光泽
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文