CN114357662A - 活塞以及活塞的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种活塞以及活塞的设计方法，活塞包括：本体部；裙部，与本体部连接，裙部具有相对设置的第一受力侧和第二受力侧，第一受力侧具有第一纵向型线，第二受力侧具有第二纵向型线；其中，第一纵向型线和/或第二纵向型线具有至少两个波峰，至少两个波峰沿裙部的纵向间隔设置。通过本发明提供的技术方案，能够在降低活塞摩擦损失的同时，解决现有技术中的活塞的敲击能量较大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及发动机的活塞技术领域，具体而言，涉及一种活塞以及活塞的设计方法。
背景技术
目前，柴油机的活塞在运行过程中，活塞的轴向的温度分布是不均匀的。为了使得活塞具有良好的导向作用，其裙部轴向型线通常设计为具有单峰特征的桶状结构。该型线结构可在活塞裙部轴向的中间部位形成楔形油膜，摩擦润滑性能相对较好。
然而，采用这样的活塞结构，也会使得相对于活塞质心的油膜支撑力矩也相对较小，对于高爆压柴油机而言，很难平衡活塞的外载，从而导致活塞的二阶运动加剧、敲击能量加大、缸套穴蚀风险增加。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种活塞以及活塞的设计方法，以解决现有技术中的活塞的敲击能量较大的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种活塞，包括：本体部；裙部，与本体部连接，裙部具有相对设置的第一受力侧和第二受力侧，第一受力侧具有第一纵向型线，第二受力侧具有第二纵向型线；其中，第一纵向型线和/或第二纵向型线具有至少两个波峰，至少两个波峰沿裙部的纵向间隔设置。
进一步地，至少两个波峰中的各个波峰为正弦、余弦、抛物线、高斯分布函数中的一个形成的曲线。
根据本发明的另一方面，提供了一种活塞的设计方法，活塞的设计方法适用于上述提供的活塞，活塞的设计方法包括：设定活塞的多组设计数据，多组设计数据中的各组设计数据均包括活塞的至少两个波峰之间的间距、各个波峰的半宽以及各个波峰的高度；根据设定的多组设计数据计算活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量；将计算得到的与多组设计数据对应的摩擦损失和敲击能量分别进行比较，选取与摩擦损失最小对应的设计数据和/或与敲击能量最小对应的设计数据作为活塞的有效设计数据。
进一步地，根据设定的多组设计数据计算活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量的方法包括：根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的轴向位移、速度和加速度；根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的裙部与活塞的缸套之间的油膜厚度；根据计算得到的对应的活塞的轴向位移、速度、加速度以及活塞的裙部与活塞的缸套之间的油膜厚度计算对应的活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量。
进一步地，根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的轴向位移、速度和加速度的方法包括：采用位移计算公式计算活塞的轴向位移，轴向位移计算公式为：
采用速度计算公式计算活塞的速度，速度计算公式为：
采用加速度计算公式计算活塞的加速度，加速度计算公式为：
其中，s为轴向位移，U为速度，a 0为加速度，l为连杆的长度，e为曲柄半径，ω为曲轴角速度，θ为曲柄转角，B为与曲柄半径e和活塞销偏置量C p 相关的量，B=C p +esinθ，d为曲柄相对于活塞的中心线的水平距离。
进一步地，根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的裙部与活塞的缸套之间的油膜厚度的方法包括：采用油膜厚度计算公式计算油膜厚度，油膜厚度的计算公式为：
其中，C为配缸间隙，e t 为活塞的裙部顶端的位移，e b 为活塞的裙部底端的位移，s为活塞的裙部上任一点距离活塞的裙部顶端的距离，L为活塞的裙部的轴向长度，Δ为油膜厚度的增量函数，b 1和b 2均为波峰的高度，x 1和x 2均为波峰的半宽，e 12为相邻两个波峰之间的间隔。
进一步地，根据计算得到的对应的活塞的轴向位移、速度、加速度以及活塞的裙部与活塞的缸套之间的油膜厚度计算对应的活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量的方法包括：根据活塞的轴向位移、速度、加速度以及活塞的裙部与活塞的缸套之间的油膜厚度进行润滑计算，以根据润滑计算结果得到活塞与活塞的缸套之间的润滑油膜的油膜力情况以及微凸体接触力情况；根据润滑计算的计算结果对活塞进行动力学分析计算，以根据动力学分析计算结果得到活塞的裙部的二阶运动速度和位移；根据润滑计算得到的计算结果计算得到活塞的摩擦损失，根据动力学分析计算结果计算得到活塞的敲击能量。
进一步地，活塞与缸套之间的润滑油膜的油膜力情况包括计算活塞的裙部和缸套之间润滑油膜的油膜力F oil 、油膜力矩M oil 、动压摩擦力f oil 和动压摩擦力矩M foil ，求解油膜力情况的计算方法包括：计算活塞的裙部与缸套之间的油膜压力p 2；根据油膜压力p 2计算活塞的裙部和缸套之间润滑油膜的油膜力F oil 、油膜力矩M oil 、动压摩擦力f oil 和动压摩擦力矩M foil ，计算公式为：
其中，R为活塞的裙部的半径，a为活塞销中心到活塞的裙部顶部的距离，
为圆周方向的角度坐标，τ为油膜动压剪切力。
进一步地，计算活塞的裙部与缸套之间的油膜压力p 2的方法包括：求解油膜压力的计算公式，油膜压力p 2的计算公式为：
其中，Φ x 为轴向压力的流量因子，Φ y 为周向压力流量因子，Φ c 为接触流量因子，Φ s 为剪切流量因子，x、y分别为轴向和周向坐标，μ为润滑油粘度，σ为综合粗糙度，t为时间。
进一步地，活塞与活塞的缸套之间的润滑油膜的微凸体接触力情况包括计算活塞裙和缸套表面的微凸体接触力F asp 、微凸体接触力矩M asp 、边界摩擦力f asp 和边界摩擦力矩M fasp ，求解油膜力情况的计算公式如下：
f asp＝τ 0 A asperity ＋α 0 F asp ；
M fasp ＝f asp (Rcosφ－C p )cosφdxdy；
其中，η为微凸体峰元密度，β为微凸体峰元曲率半径，σ为综合粗糙度，E＇为活塞裙和缸套的综合弹性模量，F 2.5为微凸体高度分布函数，a为活塞销中心到活塞的裙部顶部的距离，
为圆周方向的角度坐标，τ 0为剪应力常数，α 0为接触常数，A asperity 为裙部与缸套的接触面积。
进一步地，根据润滑计算得到的计算结果计算得到活塞的摩擦损失的计算方法包括：计算活塞的裙部与缸套的平均摩擦有效压力FMEP 2 ，将活塞的裙部与缸套的平均摩擦有效压力FMEP 2 作为活塞的摩擦损失，计算公式为：
其中，V为发动机排量。
进一步地，根据动力学分析计算结果得到活塞的裙部的二阶运动速度和位移的方法包括：根据作用在活塞的裙部上的力和力矩进行平衡分析，建立活塞的裙部的二阶运动的方程，活塞的裙部的二阶运动的方程为：
其中，C g 为活塞销中心与活塞质心之间的径向距离，Φ为活塞绕着活塞销的摆动角度，F g 为缸压造成的作用力，m pin 为活塞销质量，m pis 为活塞质量，b为活塞质心到活塞裙顶部的距离，I pis 为活塞相对与其质心的转动惯量，ë t 为活塞的裙部顶部的二阶运动加速度、ë b 为活塞的裙部底端的二阶运动加速度；求解活塞的裙部的二阶运动方程。
进一步地，根据动力学分析计算结果计算得到活塞的敲击能量的计算方法包括：根据活塞的裙部顶部的二阶运动加速度ë t 和活塞的裙部底端的二阶运动加速度ë b 计算活塞裙部的二阶运动速度
和
；计算活塞的敲击能量，活塞的敲击能量的计算公式为：
其中，v为活塞质心的二阶运动速度，v为活塞裙部的二阶运动速度
、
速度的函数；J为活塞的转动惯量；w s 为活塞质心摆动角速度，m pis 为活塞的裙部顶部或底端摆动角速度的函数。
应用本发明的技术方案，通过使第一纵向型线和/或第二纵向型线上具有至少两个波峰，这样，能够引导润滑油在活塞裙部的多点处进行集聚，形成多点局部动压楔形效应从而产生长力臂的力矩平衡外载，达到同时减小润滑油粘滞阻力、固-固接触应力，以及活塞敲击能量的目的。因此，通过本发明提供的技术方案，能够解决现有技术中的活塞的敲击能量较大的技术问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例提供的活塞的结构示意图；
图2示出了根据本发明的实施例提供的纵向型线的结构示意图；
图3示出了根据本发明的实施例提供的具有两个正弦波峰的纵向型线参数示意图；
图4示出了根据本发明的实施例提供的活塞的设计方法的流程图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、本体部；20、裙部；30、纵向型线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，本发明的实施例一提供了一种活塞，活塞包括本体部10和裙部20，裙部20与本体部10连接，裙部20具有相对设置的第一受力侧和第二受力侧，第一受力侧具有第一纵向型线，第二受力侧具有第二纵向型线。其中，第一纵向型线和/或第二纵向型线具有至少两个波峰，至少两个波峰沿裙部20的纵向间隔设置。第一纵向型线和第二纵向型线均可以理解为纵向型线30。
采用本实施例提供的活塞，通过使第一纵向型线和/或第二纵向型线上具有至少两个波峰，这样，能够引导润滑油在活塞裙部20的多点处进行集聚，形成多点局部动压楔形效应从而产生长力臂的力矩平衡外载，达到同时减小润滑油粘滞阻力、固-固接触应力，以及活塞敲击能量的目的。通过本发明提供的活塞，能够进一步改善活塞裙部20摩擦润滑性能的同时，抑制活塞二阶运动导致的敲击，减弱穴蚀风险。
具体地，本实施例中的第一受力侧对应于推力侧，第二受力侧对应于反推力侧。
需要说明的是，本发明中的二阶运动的定位为：活塞在在气缸套内既存在轴向的往复运动，又存在侧向的偏摆运动，即二阶运动。缸套穴蚀的定义为：活塞二阶运动对气缸套产生敲击，引起缸套振动，使得冷却液中的气泡破裂冲击气缸套壁面，造成疲劳损伤和材料剥落。
在本实施例中，至少两个波峰中的各个波峰为正弦、余弦、抛物线、高斯分布函数中的一个形成的曲线。采用这样的结构设置，能够便于进行生产制造和设计，通过改变上述函数对应的参数即可对对应的润滑情况进行改善。对应的波峰数量可以在2个至6个之间，波峰从裙部20的顶部开始进行分布，相邻两个波峰之间保持一定的距离。
如图3中示意出了两个波峰均为正弦曲线对应的波峰的纵向型线30示意图。
如图4所示，本发明的实施例二提供了一种活塞的设计方法，活塞的设计方法适用于上述实施例提供的活塞，活塞的设计方法包括：设定活塞的多组设计数据，多组设计数据中的各组设计数据均包括活塞的至少两个波峰之间的间距、各个波峰的半宽以及各个波峰的高度；根据设定的多组设计数据计算活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量；将计算得到的与多组设计数据对应的摩擦损失和敲击能量分别进行比较，选取与摩擦损失最小对应的设计数据和/或与敲击能量最小对应的设计数据作为活塞的有效设计数据。
需要说明的是，“将计算得到的与多组设计数据对应的摩擦损失和敲击能量分别进行比较”是指：将根据多组设计数据计算得到的多个摩擦损失的大小进行比较、将根据多组设计数据计算得到的多个敲击能量的大小进行比较。
需要说明的是，“选取与摩擦损失最小对应的设计数据和/或与敲击能量最小对应的设计数据作为活塞的有效设计数据”是指可以选取与摩擦损失最小对应的设计数据作为活塞的有效设计数据，或者选取与敲击能量最小对应的设计数据作为活塞的有效设计数据，或者选取与摩擦损失最小对应的设计数据以及与敲击能量最小对应的设计数据作为活塞的有效设计数据。具体地，当与摩擦损失最小对应的设计数据和与敲击能量最小对应的设计数据并不为同一组设计数据时，可以选取与摩擦损失最小的对应设计数据作为有效数据，并应尽量保证该有效数据对应的敲击能量较小；或者选取与敲击能量最小的对应设计数据作为有效数据，并应尽量保证该有效数据对应的摩擦损失较小。当与摩擦损失最小的对应设计数据和与敲击能量最小对应的设计数据为同一设计数据时，选取该数据作为有效数据即可。
采用这样的设计方法，通过对多组设计数据进行计算，并选取与摩擦损失最小对应的设计数据和/或与敲击能量最小对应的设计数据作为活塞的有效设计数据，这样能够有效保证具有较小的敲击能量，有效改善活塞裙部20的摩擦润滑性能，抑制活塞二阶运动导致的敲击。采用这样的方法，能够便于快速获取有效设计数据。
在本实施例中，根据设定的多组设计数据计算活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量的方法包括：根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的轴向位移、速度和加速度；根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的裙部20与活塞的缸套之间的油膜厚度；根据计算得到的对应的活塞的轴向位移、速度、加速度以及活塞的裙部20与活塞的缸套之间的油膜厚度计算对应的活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量。采用这样的方法，能够便于根据相应的数据快速准确计算活塞的摩擦损失和活塞的敲击能量，以便于快速获取有效设计数据。
具体地，根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的轴向位移、速度和加速度的方法包括：采用位移计算公式计算活塞的轴向位移，轴向位移计算公式为：
采用速度计算公式计算活塞的速度，速度计算公式为：
采用加速度计算公式计算活塞的加速度，加速度计算公式为：
其中，s为轴向位移，U为速度，a 0为加速度，l为连杆的长度，e为曲柄半径，ω为曲轴角速度，θ为曲柄转角，B为与曲柄半径e和活塞销偏置量C p 相关的量，B=C p +esinθ，d为曲柄相对于所述活塞的中心线的水平距离。需要说明的是，本实施例中的活塞与曲柄连杆机构连接，以通过曲柄连杆机构带动活塞运动；其中，曲柄连杆机构包括曲柄和连杆。
采用这样的方法，能够便于快读获取活塞的轴向位移、速度和加速度，提高计算速度。
在本实施例中，根据设定的多组设计数据计算对应的活塞的裙部20与活塞的缸套之间的油膜厚度的方法包括：采用油膜厚度计算公式计算油膜厚度，油膜厚度的计算公式为：
其中，C为配缸间隙，e t 为活塞的裙部20顶端的位移，e b 为活塞的裙部20底端的位移，s为活塞的裙部20上任一点距离活塞的裙部20顶端的距离，L为活塞的裙部20的轴向长度，Δ为油膜厚度的增量函数，b 1和b 2均为波峰的高度（b n 中的数字下标代表波峰的编号，如图3所示，编号为1的波峰靠近活塞的裙部20的上端），x 1和x 2均为波峰的半宽（x n 中的数字下标代表波峰的编号），e 12 为相邻两个波峰之间的间隔（具体对应编号为1和编号为2的两个波峰之间的间隔）。采用这样的方法，能够便于快速准确计算油膜厚度，为后续计算提高计算基础，保证计算的准确性。
具体地，根据计算得到的对应的活塞的轴向位移、速度、加速度以及活塞的裙部20与活塞的缸套之间的油膜厚度计算对应的活塞的摩擦损失以及活塞的敲击能量的方法包括：根据活塞的轴向位移、速度、加速度以及活塞的裙部20与活塞的缸套之间的油膜厚度进行润滑计算，以根据润滑计算结果得到活塞与活塞的缸套之间的润滑油膜的油膜力情况以及微凸体接触力情况；根据润滑计算的计算结果对活塞进行动力学分析计算，以根据动力学分析计算结果得到活塞的裙部20的二阶运动速度和位移；根据润滑计算得到的计算结果计算得到活塞的摩擦损失，根据动力学分析计算结果计算得到活塞的敲击能量。采用这样的方法，通过润滑计算和动力学计算能够对活塞与活塞的缸套之间的润滑情况进行准确的分析，根据活塞与活塞的缸套之间的润滑情况以及动力学分析能够为后续的摩擦损失和敲击能量的计算奠定计算基础，提高了计算的准确性。
需要说明的是，本发明中的活塞的缸套是指“与活塞配套使用的缸套”。
在本实施例中，活塞与缸套之间的润滑油膜的油膜力情况包括计算活塞的裙部20和缸套之间润滑油膜的油膜力F oil 、油膜力矩M oil 、动压摩擦力f oil 和动压摩擦力矩M foil ，求解油膜力情况的计算方法包括：计算活塞的裙部20与缸套之间的油膜压力p 2；根据油膜压力p 2计算活塞的裙部20和缸套之间润滑油膜的油膜力F oil 、油膜力矩M oil 、动压摩擦力f oil 和动压摩擦力矩M foil ，计算公式为：
其中，R为活塞的裙部20的半径，a为活塞销中心到活塞的裙部20顶部的距离，
为圆周方向的角度坐标，τ为油膜动压剪切力。采用这样的方法，能够便于准确计算处活塞与缸套之间的润滑情况，便于后续对活塞与缸套之间的动力学性能进行分析。
具体地，计算活塞的裙部20与缸套之间的油膜压力p 2的方法包括：求解油膜压力p 2的计算公式，油膜压力的计算公式为：
其中，Φ x 为轴向压力的流量因子，Φ y 为周向压力流量因子，Φ c 为接触流量因子，Φ s 为剪切流量因子，x、y分别为轴向和周向坐标，μ为润滑油粘度，σ为综合粗糙度，t为时间。采用这样的计算方法，能够便于快读获取油膜压力的计算值。
在本实施例中，活塞与活塞的缸套之间的润滑油膜的微凸体接触力情况包括计算活塞裙和缸套表面的微凸体接触力F asp 、微凸体接触力矩M asp 、边界摩擦力f asp 和边界摩擦力矩M fasp ，求解油膜力情况的计算公式如下：
f asp＝τ 0 A asperity ＋α 0 F asp ；
M fasp ＝f asp (Rcosφ－C p )cosφdxdy；
其中，η为微凸体峰元密度，β为微凸体峰元曲率半径，σ为综合粗糙度，E＇为活塞裙和缸套的综合弹性模量，F 2.5为微凸体高度分布函数，a为活塞销中心到活塞的裙部20顶部的距离，
为圆周方向的角度坐标，τ 0为剪应力常数，α 0为接触常数，A asperity 为裙部与缸套的接触面积。采用这样的方法，能够便于对微凸体接触力情况进行快速且准确的计算，便于后续进行动力学分析。
具体地，根据润滑计算得到的计算结果计算得到活塞的摩擦损失的计算方法包括：计算活塞的裙部20与缸套的平均摩擦有效压力FMEP 2 ，将活塞的裙部20与缸套的平均摩擦有效压力FMEP 2 作为活塞的摩擦损失，计算公式为：
其中，V为发动机排量。采用这样的方法，能够便于快速且准确计算得到活塞的摩擦损失。
在本实施例中，根据动力学分析计算结果得到活塞的裙部20的二阶运动速度和位移的方法包括：根据作用在活塞的裙部20上的力和力矩进行平衡分析，建立活塞的裙部20的二阶运动的方程，活塞的裙部20的二阶运动的方程为：
其中，C g 为活塞销中心与活塞质心之间的径向距离，Φ为活塞绕着活塞销的摆动角度，F g 为缸压造成的作用力，m pin 为活塞销质量，m pis 为活塞质量，b为活塞质心到活塞裙顶部的距离，I pis 为活塞相对与其质心的转动惯量，ë t 为活塞的裙部顶部的二阶运动加速度、ë b 为活塞的裙部底端的二阶运动加速度；求解活塞的裙部20的二阶运动方程。采用这样的方法，能够便于对建立并求解活塞的裙部20的二阶运动方程，为后续计算活塞的敲击能量提供计算依据。
在本实施例中，根据动力学分析计算结果计算得到活塞的敲击能量的计算方法包括：根据活塞的裙部顶部的二阶运动加速度ë t 和活塞的裙部20底端的二阶运动加速度ë b 计算活塞裙部20的二阶运动速度
和
；计算活塞的敲击能量，活塞的敲击能量的计算公式为：
其中，v为活塞质心的二阶运动速度，v为活塞裙部20的二阶运动速度
、
速度的函数；J为活塞的转动惯量；w s 为活塞质心摆动角速度，m pis 为活塞的裙部顶部或底端摆动角速度的函数。采用这样的方法，能够便于快速且准确地计算得到活塞的敲击能量，以便于快速筛选出有效设计数据。
本实施例中的活塞的设计方法的具体步骤如下：
a.活塞轴向位移、速度和加速度计算:
计算活塞轴向的往复运动位移s、速度U和加速度a 0，计算公式为：
式中：l为连杆长度，e为曲柄半径，ω为曲轴角速度，θ为曲柄转角，B为与曲柄半径e和活塞销偏置量C p 相关的量，且有B=C p +esinθ。
b.活塞裙部20和缸套油膜厚度计算：
假设活塞裙与缸套之间为充分润滑状态，则其油膜厚度计算公式为：
式中：C为配缸间隙，e t 为活塞的裙部顶端的位移，e b 为活塞的裙部底端的位移，s为活塞裙上任以点距离活塞裙顶端的距离，L为活塞裙轴向长度，Δ为多峰型线造成的油膜厚度增量，为峰-峰间隔、各峰半宽、各峰高度的函数。
c.润滑计算：
根据活塞的轴线速度和润滑油膜厚度，计算活塞裙部20与缸套之间的油膜压力p 2，计算公式为：
式中：Φ x 、Φ y 分别为轴向和周向压力流量因子，Φ c 为接触流量因子，Φ s 为剪切流量因子，x、y分别为轴向和周向坐标，μ为润滑油粘度，σ为综合粗糙度，t为时间。
在油膜压力的基础上，可计算活塞裙和缸套之间润滑油膜的油膜力F oil 、油膜力矩M oil 、动压摩擦力f oil 和动压摩擦力矩M foil 。计算公式为：
式中：R为活塞裙部20的半径，a为活塞销中心到活塞裙顶部的距离，
为圆周方向的角度坐标，τ为油膜动压剪切力。
进一步地，可计算活塞裙和缸套表面的微凸体接触力F asp 、微凸体接触力矩M asp 、边界摩擦力f asp 和边界摩擦力矩M fasp 。计算公式为：
f asp＝τ 0 A asperity ＋α 0 F asp ；
M fasp ＝f asp (Rcosφ－C p )cosφdxdy；
式中：η为微凸体峰元密度、β为微凸体峰元曲率半径、σ为综合粗糙度，E＇为活塞裙和缸套的综合弹性模量、F 2.5为微凸体高度分布函数、μ f 为表面微凸体峰元剪切强度随接触压力的变化比率，τ 0为剪应力常数，α 0为接触常数，A asperity 为裙部与缸套的接触面积。
d.动力学计算：
计算缸压造成的作用力F g 、活塞裙部20二阶运动（横向摆动）形成的活塞销惯性力F ip 和活塞裙部20二阶运动形成的活塞裙惯性力F ic 、活塞销往复运动的惯性力F py 、活塞往复运动的惯性力F cy 、活塞二阶运动产生的活塞惯性力矩M ic 。计算公式为：
式中：P g 为缸压，m pin 为活塞销质量，m pis 为活塞质量，b为活塞质心到活塞裙顶部的距离，I pis 为活塞相对与其质心的转动惯量，ë t 为活塞的裙部20的顶部的二阶运动加速度、ë b 为活塞底端的二阶运动加速度。
根据作用在活塞的裙部20的力和力矩平衡分析，建立并求解活塞裙的二阶运动方程，以得到任意曲柄转角
时的活塞的裙部20顶部二阶运动加速度ë t 和活塞的裙部20的底端二阶运动加速度ë b 。二阶运动方程的具体形式如下：
式中：C g 为活塞销中心与活塞质心之间的径向距离，Φ为活塞绕着活塞销的摆动角度。
根据曲柄转角为
时的活塞裙顶部或底端二阶运动加速度ë t 、ë b ，以及曲柄转角为
时的活塞裙顶部二阶运动位移e t0 、速度
和加速度ë b0，活塞裙底部的二阶运动位移
、速度
和加速度ë b0，计算曲柄转角为
时的活塞裙顶/底部二阶运动速度
、
和位移e t 、e b 。计算公式为：
令曲柄转角
，并重复步骤（b）~（d），直到曲柄转角
。随后，判断曲柄转角
和
时活塞裙顶/底部二阶运动位移、速度和加速度的相对偏差，直至相对偏差不大于1E-4。
e.摩擦损失和活塞敲缸能量计算评估:
计算活塞裙和缸套的平均摩擦有效压力（即FMEP 2 ），计算公式为：
式中：V为发动机排量。
计算活塞的敲击能量E，计算公式为：
式中：v为活塞质心的二阶运动速度，v为活塞的裙部顶部或底端二阶运动速度
、
速度的函数；J为活塞的转动惯量；w s 为活塞质心摆动角速度，m pis 为活塞的裙部顶部或底端摆动角速度的函数。
修改型线设计方案（即：峰-峰间隔、峰的半宽、峰的高度、峰的数量的组合）， 重复步骤（b）~（e），形成不同型线设计方案与对应的摩擦损失和活塞敲击能量数值表。依据表的数值，优选摩擦损失和活塞敲击能量均较小的设计方案（即：峰-峰间隔、峰的半宽、峰的高度、峰的数量的数值组合）。
本发明提出了活塞裙部多峰型线结构，同时实现降低摩擦损失，以及活塞敲击能量和缸套穴蚀风险的目的，提出了活塞裙部多峰型线结构的设计方法。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明提出的活塞裙部多峰型线结构及其设计方法，通过引导润滑油在活塞裙部轴向多点处集聚，在活塞运行过程中形成多点局部动压楔形效应，使得润滑油膜压力增加，能够更好地避免活塞和缸套直接接触，从而实现油膜粘滞阻力和固-固接触应力的减小，达到降低摩擦损失的目的。活塞运行过程中，裙部与缸套之间产生的油膜压力力矩直接影响活塞二阶运动和敲击能量。传统单峰型线油膜压力相对于活塞质心的力矩相对较小，使得其平衡外部负荷的能力相对较弱。而本发明提出的活塞裙部多峰型线结构，能够在活塞裙部轴向多点处形成局部动压楔形效应以产生油膜压力，靠近裙部上下端处产生的油膜压力具有相对较长的力臂，从而具有更大的力矩来更好地平衡活塞的外部负荷，实现更加平稳的活塞二阶运动，达到降低活塞敲击能量和缸套穴蚀风险的目的。因此，本发明可同时实现降低摩擦损失，以及活塞敲击能量和缸套穴蚀风险的目的。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种活塞，其特征在于，包括：
本体部（10）；
裙部（20），与所述本体部（10）连接，所述裙部（20）具有相对设置的第一受力侧和第二受力侧，所述第一受力侧具有第一纵向型线，所述第二受力侧具有第二纵向型线；
其中，所述第一纵向型线和/或所述第二纵向型线具有至少两个波峰，所述至少两个波峰沿所述裙部（20）的纵向间隔设置。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述至少两个波峰中的各个波峰为正弦、余弦、抛物线、高斯分布函数中的一个形成的曲线。
3.一种活塞的设计方法，其特征在于，所述活塞的设计方法适用于权利要求1或2中所述的活塞，所述活塞的设计方法包括：
设定所述活塞的多组设计数据，所述多组设计数据中的各组设计数据均包括所述活塞的至少两个波峰之间的间距、各个波峰的半宽以及各个波峰的高度；
根据设定的所述多组设计数据计算所述活塞的摩擦损失以及所述活塞的敲击能量；
将计算得到的与所述多组设计数据对应的摩擦损失和敲击能量分别进行比较，选取与所述摩擦损失最小对应的所述设计数据和/或与所述敲击能量最小对应的所述设计数据作为活塞的有效设计数据。
4.根据权利要求3中所述的活塞的设计方法，其特征在于，根据设定的所述多组设计数据计算所述活塞的摩擦损失以及所述活塞的敲击能量的方法包括：
根据设定的多组设计数据计算对应的所述活塞的轴向位移、速度和加速度；
根据设定的多组设计数据计算对应的所述活塞的裙部与活塞的缸套之间的油膜厚度；
根据计算得到的对应的所述活塞的轴向位移、速度、加速度以及所述活塞的裙部与所述活塞的缸套之间的油膜厚度计算对应的所述活塞的摩擦损失以及所述活塞的敲击能量。
5.根据权利要求4中所述的活塞的设计方法，其特征在于，根据设定的多组设计数据计算对应的所述活塞的轴向位移、速度和加速度的方法包括：
采用位移计算公式计算所述活塞的轴向位移，所述轴向位移计算公式为：
采用速度计算公式计算所述活塞的速度，所述速度计算公式为：
采用加速度计算公式计算所述活塞的加速度，所述加速度计算公式为：
其中，s为轴向位移，U为速度，a 0为加速度，l为连杆的长度，e为曲柄半径，ω为曲轴角速度，θ为曲柄转角，B为与曲柄半径e和活塞销偏置量C p 相关的量，B=C p +esinθ，d为曲柄相对于所述活塞的中心线的水平距离。
6.根据权利要求4中所述的活塞的设计方法，其特征在于，根据设定的多组设计数据计算对应的所述活塞的裙部与活塞的缸套之间的油膜厚度的方法包括：
采用油膜厚度计算公式计算所述油膜厚度，所述油膜厚度的计算公式为：
其中，C为配缸间隙，e t 为所述活塞的裙部顶端的位移，e b 为所述活塞的裙部底端的位移，s为所述活塞的裙部上任一点距离所述活塞的裙部顶端的距离，L为所述活塞的裙部的轴向长度，Δ为所述油膜厚度的增量函数，b 1和b 2均为波峰的高度，x 1和x 2均为波峰的半宽，e 12为相邻两个波峰之间的间隔。
7.根据权利要求4中所述的活塞的设计方法，其特征在于，根据计算得到的对应的所述活塞的轴向位移、速度、加速度以及所述活塞的裙部与所述活塞的缸套之间的油膜厚度计算对应的所述活塞的摩擦损失以及所述活塞的敲击能量的方法包括：
根据所述活塞的轴向位移、速度、加速度以及所述活塞的裙部与所述活塞的缸套之间的油膜厚度进行润滑计算，以根据所述润滑计算的结果得到所述活塞与所述活塞的缸套之间的润滑油膜的油膜力情况以及微凸体接触力情况；
根据润滑计算的计算结果对所述活塞进行动力学分析计算，以根据动力学分析计算结果得到所述活塞的裙部的二阶运动速度和位移；
根据所述润滑计算得到的计算结果计算得到所述活塞的摩擦损失，根据所述动力学分析计算结果计算得到所述活塞的敲击能量。
8.根据权利要求7中所述的活塞的设计方法，其特征在于，所述活塞与所述缸套之间的润滑油膜的油膜力情况包括计算所述活塞的裙部和缸套之间润滑油膜的油膜力F oil 、油膜力矩M oil 、动压摩擦力f oil 和动压摩擦力矩M foil ，求解油膜力情况的计算方法包括：
计算所述活塞的裙部与所述缸套之间的油膜压力p 2；
根据油膜压力p 2计算所述活塞的裙部和缸套之间润滑油膜的油膜力F oil 、油膜力矩M oil 、动压摩擦力f oil 和动压摩擦力矩M foil ，计算公式为：
其中，R为活塞的裙部的半径，a为活塞销中心到活塞的裙部顶部的距离，
为圆周方向的角度坐标，τ为油膜动压剪切力。
9.根据权利要求8中所述的活塞的设计方法，其特征在于，计算所述活塞的裙部与所述缸套之间的油膜压力p 2的方法包括：
求解油膜压力的计算公式，所述油膜压力p 2的计算公式为：
其中，Φ x 为轴向压力的流量因子，Φ y 为周向压力的流量因子，Φ c 为接触流量因子，Φ s 为剪切流量因子，x、y分别为轴向和周向坐标，μ为润滑油粘度，σ为综合粗糙度，t为时间。
10.根据权利要求8中所述的活塞的设计方法，其特征在于，所述活塞与所述活塞的缸套之间的润滑油膜的微凸体接触力情况包括计算活塞裙和缸套表面的微凸体接触力F asp 、微凸体接触力矩M asp 、边界摩擦力f asp 和边界摩擦力矩M fasp ，求解油膜力情况的计算公式如下：
f asp＝τ 0 A asperity ＋α 0 F asp ；
M fasp ＝f asp (Rcosφ－C p )cosφdxdy；
其中，η为微凸体峰元密度，β为微凸体峰元曲率半径，σ为综合粗糙度，E＇为活塞裙和缸套的综合弹性模量，F 2.5为微凸体高度分布函数，a为活塞销中心到活塞的裙部顶部的距离，
为圆周方向的角度坐标，τ 0为剪应力常数，α 0为接触常数，A asperity 为裙部与缸套的接触面积。
11.根据权利要求9中所述的活塞的设计方法，其特征在于，根据所述润滑计算得到的计算结果计算得到所述活塞的摩擦损失的计算方法包括：
计算所述活塞的裙部与缸套的平均摩擦有效压力FMEP 2 ，将所述活塞的裙部与缸套的平均摩擦有效压力FMEP 2 作为所述活塞的摩擦损失，计算公式为：
其中，V为发动机排量。
12.根据权利要求8中所述的活塞的设计方法，其特征在于，根据动力学分析计算结果得到所述活塞的裙部的二阶运动速度和位移的方法包括：
根据作用在所述活塞的裙部上的力和力矩进行平衡分析，建立所述活塞的裙部的二阶运动的方程，所述活塞的裙部的二阶运动的方程为：
其中，C g 为活塞销中心与活塞质心之间的径向距离，Φ为活塞绕着活塞销的摆动角度，F g 为缸压造成的作用力，m pin 为活塞销质量，m pis 为活塞质量，b为活塞质心到活塞裙顶部的距离，I pis 为活塞相对与其质心的转动惯量，ë t 为活塞的裙部顶部的二阶运动加速度，ë b 为活塞的裙部底端的二阶运动加速度；
求解所述活塞的裙部的二阶运动方程。
13.根据权利要求12中所述的活塞的设计方法，其特征在于，根据所述动力学分析计算结果计算得到所述活塞的敲击能量的计算方法包括：
根据所述活塞的裙部顶部的二阶运动加速度ë t 和所述活塞的裙部底端的二阶运动加速度ë b 计算所述活塞裙部的二阶运动速度
和
；
计算所述活塞的敲击能量，所述活塞的敲击能量的计算公式为：
其中，v为活塞质心的二阶运动速度，v为活塞裙部的二阶运动速度
、
速度的函数；J为活塞的转动惯量；w s 为活塞质心摆动角速度，m pis 为活塞的裙部顶部或底端摆动角速度的函数。
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