活塞销孔偏置对活塞裙部磨损的影响

王全振，王传厚，孟建*，季宏，孟繁衍，王保力

1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；2.山东泰开汽车制造有限公司，山东 泰安 271000

0 引言

活塞在气缸中受到周期性变化的气体压力、惯性力和摩擦力的作用，其合力在上、下止点附近变换方向，使活塞产生由一侧移向另一侧的横向运动。发动机高速运转时，活塞的横向运动对气缸壁产生强烈撞击，造成发动机运转不平稳、噪声过大等问题[1-3]。近年来，国内外学者在活塞销偏置对发动机噪声振动、活塞敲击力等方面开展了相关研究，表明活塞销孔适量偏置能够降低发动机噪声振动，减小活塞敲击力[4-6]。但活塞销孔偏置也会影响活塞受力和力矩平衡，从而对活塞二阶运动、活塞裙部磨损、活塞裙部润滑产生重要影响。

活塞裙部摩擦不仅受活塞销孔偏置的影响，还受到活塞裙部型线、裙部刚度、热变形、缸套变形等参数的影响[7-10]。本文中根据实际的活塞温度场、热变形、缸套变形等参数建立某柴油机活塞组件仿真分析模型，分析不同活塞销孔偏置距离对活塞摆角、侧向力、活塞裙部摩擦损失功率、活塞裙部接触压力和磨损载荷等方面的影响规律，为活塞结构设计和优化提供参考。

1 活塞裙部磨损模型

试验用柴油机主要技术性能参数如表1所示。活塞材料为铝合金。活塞冷态裙部曲线如图1所示，图中0°表示活塞主推力侧方向，90°表示活塞销孔轴线方向。

表1 柴油机主要技术性能参数

图1 活塞裙部冷态下的轮廓曲线

采用硬度塞法测试活塞温度。硬度塞安装位置如图2所示，共布置23个测点，其中测点1在燃烧室中心，2、3、4、5位于燃烧室底部，6、7、8、9位于喉口，10、11、12、13位于活塞顶，14、15、16、17位于火力岸，18、19、20、21位于第二环岸，22、23位于销孔内侧，其中喉口处硬度塞与活塞中心垂线的安装夹角为25.3°，销孔处硬度塞与活塞中心垂线的安装夹角为16°。

a)主视图 b)左视图

活塞表面各测点平均温度如表2所示。

表2 活塞各表面测点平均温度

在ANSYS软件中根据活塞实测温度计算得到活塞裙部热变形如图3所示，图中定义裙部相对高度为裙部测点至活塞第三环槽的距离。使用缸孔轮廓测量仪测出的缸套安装变形如图4所示。

图3 活塞裙部热变形 图4 活塞缸套安装变形

以硬度塞法测得的温度及缸孔轮廓测量仪测得的缸套变形、活塞裙部冷态轮廓、活塞热变形作为动力学仿真的边界条件，在发动机额定工况下，对某活塞不同活塞销孔偏置进行仿真计算，研究活塞销偏置对活塞裙部磨损、侧向力等的影响。本文中定义：活塞销孔向次推力侧偏置时为正，向主推力侧偏置时为负；曲轴转角0°为柴油机燃烧上止点。本文中共研究活塞销孔偏置分别为0.5、0、-0.3、-0.5、-0.7 mm 对活塞敲击摆动及其摩擦损失等性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 活塞摆角

不同活塞销孔偏置量对活塞摆角的影响如图5所示。由图5可知，活塞销孔偏置为0.5、0、-0.3、-0.5、-0.7 mm时的最大活塞摆角分别为0.510°、0.138°、0.393°、0.483°、0.494°，最大摆角位置出现在压缩上止点后0°～20°。活塞销孔偏置直接影响活塞最大摆角方向、大小及出现位置，随着活塞销孔在主推力侧偏置距离的增加(由0增加到0.7 mm)，活塞最大摆角增大，最大摆角出现位置越接近压缩上止点。活塞销孔由主推力侧向次推力侧偏置时，活塞摆动方向也发生改变。偏置距离都为0.5 mm时，最大摆角向次推力侧偏置最大。销孔偏置量为0时，活塞最大摆角最小，且最大摆角峰值出现的位置不明显。

图5 活塞销孔偏置对活塞摆角的影响

2.2 侧向力

不同活塞销孔偏置下的活塞侧向力如图6所示。由图6可知，活塞销孔偏置对侧向力的影响规律基本一致，在上止点附近侧向力方向发生改变，且出现2个峰值，分别出现在燃烧上止点前、后曲轴转角20°处，上止点后的侧向力更大。活塞销孔偏置为0.5、0、-0.3、-0.5、-0.7 mm时的最大侧向力分别为7192、7344、8310、8264、8082 N，均出现在上止点后、曲轴转角20°附近。偏置距离均为0.5 mm，活塞销孔向次推力侧偏置时的侧向力(7192 N)小于往主推力侧偏置时的侧向力(8264 N)，表明偏置距离相等时，向次推力侧偏置时最大侧向力较小。随着活塞销孔向主推力侧偏置的增大，活塞最大侧向力先增大后减小，当偏置距离为-0.3 mm时，侧向力最大，为8310 N。

图6 活塞销孔偏置对侧向力的影响

2.3 裙部摩擦损失功率

活塞销孔偏置对活塞裙部摩擦损失功率的影响如图7所示。由图7可知，活塞销孔偏置对压缩上止点附近的摩擦损失功率影响显著，在一个循环内，摩擦损失功率出现多个峰值，分别出现在上止点前、后，其中最大裙部摩擦损失功率均出现在压缩上止点后的曲轴转角30°内，但最大摩擦损失功率出现位置的规律不明显。活塞销孔偏置0.5 mm时，在压缩上止点后、曲轴转角20°时，摩擦损失功率最大，为2013 W；当活塞销孔偏置-0.7、-0.5 mm时，摩擦损失功率出现2个明显的峰值，一个出现在压缩上止点前曲轴转角10°附近，另一个出现在压缩上止点后曲轴转角20°附近；当活塞销孔偏置为0时，摩擦损失功率最小，为695 W，出现在压缩上止点后曲轴转角10°处。

图7 不同活塞销孔偏置的活塞裙部摩擦损失功率

2.4 活塞裙部压力

不同活塞销孔偏置对活塞裙部接触压力的影响云图如图8所示。定义：180°为主推力侧，0°为次推力侧；裙部相对高度为测点至活塞底部的距离。

图8 活塞销孔偏置对裙部接触压力影响

由图8可知：活塞销孔偏置距离和方向对活塞裙部接触压力及其分布有显著影响。随着活塞销孔偏置由0.5 mm逐渐变化到-0.7 mm，活塞裙部最大接触压力先减小再逐渐增大，分别为34.57、15.45、15.96、21.65、22.58 MPa;活塞裙部最大接触压力出现位置由主推力侧向次推力侧过渡，活塞偏置为0.5 mm和0时，最大接触压力出现在活塞主推力侧的裙部中上部，活塞偏置为-0.3、-0.5、-0.7 mm时，最大接触压力出现在活塞次推力侧的裙部中上部，且随着偏置距离的增加而增大。随着活塞销孔向主推力侧偏置，接触压力分布出现由集中到分散再到集中的变化过程，偏置为0和0.5 mm时，接触压力主要分布在活塞主推力侧的裙部中上部，且分布区域较小；活塞销孔向主推力侧偏置时，接触压力在主、次推力面均有分布，虽然最大接触压力分布在次推力侧，但与主推力面上的最大接触压力之差较小，而且差值随着偏置距离的增加而增大；当活塞销孔偏置-0.3 mm时，主、次推力侧最大压力差最小为1.5 MPa，此时压力分布区域面积最大，压力分布最均匀。

2.5 磨损载荷

活塞销孔偏置量对活塞磨损载荷的影响云图如图9所示。

图9 活塞销孔偏置对磨损载荷的影响

由图9可知：活塞销孔偏置距离和方向对磨损载荷及其分布区域有着显著影响。随着活塞销孔向主推力侧偏置，活塞裙部最大磨损载荷先减小再逐渐增大，分别为1.459、0.102、0.031、0.199、0.237 MW/m2。随着活塞销孔是由次推力侧向主推力侧偏置，活塞裙部最大磨损载荷位置由主推力侧向次推力侧过渡，活塞销孔偏置0.5、0和-0.3 mm时，最大磨损载荷出现在活塞主推力侧的裙部中上部；活塞销孔偏置-0.5、-0.7 mm时，最大磨损载荷出现在活塞次推力侧的裙部中上部。随着活塞销孔向主推力侧偏置，磨损载荷分布区域呈现由小到大再变小的趋势，分布区域形状呈现由线形向马鞍形再到线形的变化趋势，销孔偏置-0.3 mm时，磨损载荷分布区域最广，在主、次推力侧均有分布；销孔偏置0.5 mm时，磨损区域最小，呈线形分布在活塞主推力侧。

3 结论

1)活塞偏置小于0时，随着活塞销孔偏置的增加最大活塞摆角增大，偏置距离相等时，向次推力侧偏置时的活塞摆角高于向主推力侧偏置时。

2)活塞受到的最大侧向力均出现在压缩上止点后、曲轴转角20°附近。

3)摩擦损失功率随着偏置量增加而增大，但最大摩擦损失功率出现位置的规律不明显。

4)随着活塞销孔由次推力侧向主推力侧偏置，活塞裙部最大接触压力和最大磨损载荷均呈现先增大后减小的趋势，偏置量为0时最大接触压力最小，为15.45 MPa，偏置量为-0.3 mm时，最大磨损载荷最小，为31.4 kW/m2；在活塞销孔向次推力侧偏置时(偏置量为0.5 mm)，最大接触压力和最大磨损载荷最大，分别为34.57 MPa和1459 kW/m2。

5)随着活塞销孔由次推力侧向主推力侧偏置，活塞裙部最大接触压力位置和最大载荷位置由主推力侧向次推力侧过渡。