基于EXCITE PR软件的活塞销孔偏置优化
李慧，谢琰，康黎云，叶洋，曾庆强，卿辉斌，蓝军，林翰，蒲运平
（长安汽车动力总成CAE工程所，重庆渝北区双凤桥空港大道591号，401120）
[摘要]活塞销孔偏置是当前发动机活塞设计的一个趋势，研究［1］表明，优化活塞销孔偏置可以有效改善活塞的二阶运动以及相关摩擦。本文为某型号发动机性能提升方案提供数据支持，通过AVL PISTON & RING对该型号发动机的活塞与活塞环进行动力学分析。考察活塞销孔中心在主副推力侧偏置-1～1mm范围内的各个值，通过计算取得了不同偏置值下，活塞的二阶运动以及活塞组件与缸孔的相关摩擦数据。在满足NVH前提下，优化活塞销偏心距离，减小活塞组件的摩擦损失。
关键词：活塞组件；摩擦损失；活塞二阶运动；活塞销孔偏置
主要软件：A VL EXCITE PISTON&RINGS
1.前言
目前，汽油机活塞的设计一般都将活塞销孔的中心向TS侧偏移0～1mm之间。活塞销孔的偏心使得活塞在换向过程中出现的先摆后靠的转移过程，在润滑的阻尼作用以及压缩上止点其缸内气体的压力较低等原因，
可使得活塞对气缸壁的“拍击”减轻，从而降低运转噪声［2］。国外的一些研究表明，活塞销孔偏置可以有效改善活塞的二阶运动。
2. 活塞组件动力学分析建模
活塞组件动力学模型包括活塞、活塞环、气缸、活塞销以及连杆模型，其中，活塞采用非线性弹性体单元，活塞环采用弹性单元体，连杆、活塞销以及曲轴采用刚性体单元［3］。
活塞环、气缸孔间采用油膜润滑的接触模型，机油采用5W30；活塞与气缸孔间、活塞环与环槽间采用Stribeck摩擦函数的接触类型，曲轴连杆活塞销间采用铰链连接。在建模中考虑活塞与气缸孔的热态型面的形状等结构因素，鉴于活塞非线性刚度矩阵对活塞环运动的影响作用，采用了有限元计算的非线性刚度矩阵，利用A VL PISTON & RING建立了活塞组件的动力学分析模型［3］。图1是活塞组件动力学分析模型和气缸孔、活塞环、环岸以及环槽的相对位置简图。
图  1 活塞组件动力学分析模型和气缸孔、活塞环、环岸以及环槽的相对位置简图
本文中的活塞采用中凸型线，基于冷态轮廓测试的基础上考虑了径向热变形的影响。图2是活塞测试的型线图。中凸型线和直线型线相比，可以大大减小活塞的二阶运动幅度，改善活塞的导向性能，降低摩擦功率。因为中凸型线裙部在上行和下行过程中均能形成流体动压润滑，从而缓解了活塞对缸套的冲击［4,5］。
图  2 活塞冷态测试型线
2.2 活塞环型线
鉴于活塞环结构特性，可认为其受热时型线不变，各环的型线以及截面轮廓如图3、图4、图5所示。活塞环的开口间隙、活塞环的张力和活塞环的偏摆都会对缸套-活塞环摩擦副之间的油膜厚度和摩擦力产生影响，而销孔的偏置会间接影响活塞环的偏摆。
图  3 气环型线以及截面轮廓图图  4 刮环型线以及截面轮廓
图  5 油环型线以及截面轮廓
为了较为准确的取得气缸孔的型线，应用生产线绗磨精测值拟合气缸孔冷态型线，并考虑了径向热变形的影响。活塞的冷态型线和轮廓型面如图6所示。
图  6 缸孔的冷态型线和轮廓型面
3. 活塞组件动力学分析工况描述
3.1 活塞组件动力学分析转速情况
鉴于发动机常处于低转速工况下运行，本文不仅对额定转速5500rpm WOT工况进行了计算，而且对3000rpm WOT、2000rpm扭矩118Nm和1000rpm扭矩24Nm的低转速部分载荷工况也进行了分析，其中各工况下的缸压曲线如图7所示。
图7 各工况下的缸压曲线
3.2 活塞组件动力学分析销孔偏心情况
为了降低噪声，活塞设计时都要考虑活塞销孔的偏置，销孔偏置的旋转中心与活塞质心之间会产生偏转力矩，该力矩使得高速运动中的活塞在点火后，实现由副推力侧平顺的转到主推力侧，以降低发动机噪声。
为了研究活塞销孔偏置对活塞组件二阶运动和摩擦的影响，本文对活塞销无偏心、偏向主推力侧和偏向副推力侧三种情况进行分析，考察活塞销孔中心在主副推力侧偏移范围-1～1mm内的21个值，通过计算取得了不同偏置值对活塞二阶运动以及活塞、环组与缸孔的摩擦相关数据。本文中活塞销孔偏向副推力侧时为正值。
4. 活塞组件动力学计算结果分析
4.1 活塞径向位移重庆长安汽车
各转速下，活塞销孔偏置值在-1mm～0mm之间时，活塞的径向位移均满足要求，并且变化不大，5500rpmWOT工况的结果如图8所示。说明活塞的径向位移对活塞销孔偏置值不敏感，这里不再列出其它转速下的活塞径向位移图。
图8 5500rpm WOT工况活塞径向运动位移的变化
4.2 活塞摆动角度
各转速下，活塞销偏置值在-1mm～0mm之间时，活塞摆动角度均满足要求。并且当曲轴转角为0度～90度之间时，在爆发压力作用下，随活塞销偏置值不同，活塞摆动角度波动较大。经比较，活塞销偏置值为-1mm～-0.5mm之间时，活塞摆动角度变化较为平缓，利于活塞在换向过程中出现的先摆后靠的转移过程。
图9 各工况活塞在缸内摆角的变化
4.3 动能变化率
活塞动能变化率是衡量NVH性能的重要指标，反应了活塞换向的平顺性。在各转速下，活塞销孔偏置值
在-1mm～0mm之间时，活塞动能变化率均满足要求。并且当曲轴转角为180度附近时，活塞进行换向，随活塞销偏置值不同，活塞动能变化率波动较大。经比较，活塞销偏置值为-1 mm～-0.5mm之间时，活塞动能变化率变化较为平缓，利于活塞的二阶运动。2000rpm和1000rpm时，动能变化率很小，已不是问题的主要影响因素，因此这里不予列出。
图10 各工况活塞动能变化率
4.4 裙部接触应力
由于连杆运动换向而产生的附加力矩作用，活塞发生围绕活塞销旋转的二次运动，使活塞裙部与缸套产生“敲击”的现象。裙部接触应力的大小，反映了“敲击”现象的严重性。因受到活塞型线、缸套型线和销孔偏置值的综合影响，各转速下，活塞销偏置值在-1mm～1mm 之间时，裙部最大接触应力随活塞销偏置值增大而呈不同变化趋势。经比较，各转速下，活塞销偏置值为-1mm～-0.6mm之间时，裙部最大接触应力较小，并能满足要求。
图11 各工况裙部最大接触应力