CN116186933A - 一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法 - Google Patents

一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法 Download PDF

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CN116186933A CN202310176497.1A CN202310176497A CN116186933A CN 116186933 A CN116186933 A CN 116186933A CN 202310176497 A CN202310176497 A CN 202310176497A CN 116186933 A CN116186933 A CN 116186933A
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Abstract

本发明的目的在于提供一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法，包括以下步骤：设定活塞二阶运动变量初值，开始曲轴转角循环；结合活塞型线计算油膜厚度；计算油膜压力和微凸体接触压力，利用高斯‑勒让德积分得到油膜承载力和微凸体接触力；通过动力学方程计算得到当前时刻连杆对销的力和力矩以及其它力和力矩，对动力学方程进行求解；判段曲轴转角是否满足循环终止条件；判断本次工作循环是否满足收敛条件，若不满足更新二阶运动变量初值进行下一计算循环，若满足计算完成输出结果。本发明克服了爆发压力附近和最小油膜数值较小等特殊条件下计算结果失真和求解不稳定的问题。为对实际柴油机活塞裙部润滑预测及优化设计提供一定支撑。

Description

一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法
技术领域
本发明涉及的是一种内燃机仿真方法，具体地说是内燃机摩擦副润滑特性仿真方法。
背景技术
在各类动力机械中，柴油机以其热效率高、扭矩大、经济性好、功率范围广、启动迅速、维修简单、运行安全、使用寿命长等优点而得到广泛应用，主要用于重型汽车、大型客车、工程机械、坦克、船舶、发电机组等，在国民经济和国防建设中处于重要地位。活塞作为柴油机最重要的零部件之一，其与缸套之间的润滑状态对柴油机动力性和可靠性的保证十分关键。
活塞在柴油机工作过程中不但要承受气缸压力、惯性力、侧推力和摩擦力等机械负荷的作用，还要承受来自高温燃气的热负荷，进而使得活塞和缸套发生热变形、活塞裙-缸套摩擦副润滑状态改变。出于研究对象爆发压力较低的原因，过去相当一部份的研究不考虑活塞与缸套的热变形或者仅考虑活塞的热变形，但近年来随着柴油机向着高强化、高功率密度方向发展，柴油机的机械负荷和热负荷得到了进一步提高，活塞与缸套发生了严重的热变形，对摩擦副的配合间隙与动力油膜产生了极大的影响。在这种更为严苛的工作条件下裙部型面微小的不合理设计会显著增加活塞与缸套的磨损，甚至会出现拉缸等故障。因此考虑活塞与缸套热变形，对活塞裙部润滑特性更准确的计算是十分必要的。
在考虑活塞和缸套热变形对裙部润滑计算时，若将每个节点对应的变形计算结果均作为输入，会使得数据处理量巨大且计算时间较长，为降低计算成本、减少设计校核时间有必要对热变形数据做适当的简化，根据李闯等在文章《发某柴油机活塞裙部变形分析》和毕玉华等在文章《冷却液流动均匀性对缸套热变形的影响研究》的研究结果，活塞轴线截面上的径向变形为椭圆形、缸套径向变形不均匀呈豌豆形，需对活塞和缸套采用不同的简化方法。
综上所述，为准确的计算活塞裙部润滑特性，考虑活塞与缸套的热变形是十分必要的，同时为兼顾准确性和计算成本，对计算方法进行简化和优化又十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供能够更准确、高效的对活塞裙部接触和润滑状态进行预测，进而大幅度提高活塞裙部设计精度和效率的一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法，其特征是：
(1)设定活塞二阶运动变量初值，开始曲轴转角循环；
(2)对活塞和缸套热变形量进行处理，结合活塞型线计算油膜厚度；
(3)通过混合润滑模型计算油膜压力和微凸体接触压力，利用高斯-勒让德积分得到油膜承载力和微凸体接触力及力矩；
(4)根据已知的当前时刻缸内气体力和活塞环摩擦力，通过动力学方程计算得到当前时刻连杆对销的力和力矩以及其它力和力矩，采用变步长四阶龙格库塔法对动力学方程进行求解，由当前时刻所受的力及力矩得到下一时刻的二阶运动变量值；
(5)令当前时间和曲轴转角均增加一步，判段曲轴转角是否满足循环终止条件，若不满足更新当前时刻变量值继续计算，若满足进入下一步；
(6)判断本次工作循环是否满足收敛条件，若不满足更新二阶运动变量初值进行下一工作循环计算，若满足计算完成输出结果。
本发明还可以包括：
1、步骤一具体为：设定活塞销中心处活塞横向位移xp、活塞销中心处活塞横向速度
Figure BDA0004101027990000021
活塞摆角β和活塞摆动速度
Figure BDA0004101027990000022
初始值。
2、步骤二具体为：采用沿活塞中心轴方向长、短轴不断变化的椭圆面对考虑活塞热变形后的活塞型面进行简化，采用沿缸套中心轴方向长、短轴不断变化的4个1/4椭圆面对考虑缸套热变形的缸套内表面进行简化，具体的油膜厚度计算方法为：
确定活塞型线凸点处的曲率Rp、缸套半径R、活塞推力侧和非推力侧热变形后的轴向型线f1,0°(y)和f1,90°(y)，缸套周向角度为0°、90°、180°和270°处的缸套轴向变形曲线d1,0°(y)、d1,90°(y)、d1,180°(y)和d1,270°(y)，计算得到裙部相对于凸点处的缩减量和缸套某处相对于冷态的变形量为：
Figure BDA0004101027990000031
其中yp为活塞裙部顶端距上止点的轴向位移；
计算由活塞二阶运动导致的推力面油膜厚度变化量：
Figure BDA0004101027990000032
其中，a为活塞重心相对于活塞裙顶部的轴向位置，b为活塞销中心相对于活塞重心是轴向位置；
得到裙部与缸套之间的油膜厚度为：
Figure BDA0004101027990000033
3、步骤三具体为：
利用经过Vogenpohl变换的平均雷诺方程计算油膜压力，方程为：
Figure BDA0004101027990000034
其中，油膜压力
Figure BDA0004101027990000035
φx、φy、φc、φs为流量因子，U为活塞轴向速度、σ为活塞裙部和缸套摩擦副的综合粗糙度；
计算微凸体接触压力，方程为：
Figure BDA0004101027990000036
其中，E′为活塞裙和缸套综合弹性模量，η为峰元密度，β为峰元曲率半径，H为膜厚比(h/σ)；
采用高斯-勒让德积分得到油膜承载力和微凸体接触力及力矩。
4、步骤四具体为：
根据已知的当前时刻缸内气体力和活塞环摩擦力以及与油膜和微凸体相关的力及力矩，得到连杆作用于活塞销的力，再由活塞销与连杆之间的摩擦系数得到连杆与活塞销之间的摩擦力矩，利用建立的活塞裙部动力学方程计算当前时刻的活塞销横向运动加速度
Figure BDA0004101027990000041
和活塞摆动加速度
Figure BDA0004101027990000042
动力学方程为：
Figure BDA0004101027990000043
Figure BDA0004101027990000044
Figure BDA0004101027990000045
其中，
Figure BDA0004101027990000046
Mpin＝μpinFL，μ为摩擦系数，下角标f代表与摩擦力相关的力和力矩，下角标c代表与微凸体接触相关的力和力矩，下角标j代表与角点接触相关的力和力矩，下角标h代表与油膜动压润滑相关的力和力矩，G代表与缸内气体相关的力和力矩，L代表连杆作用于活塞销相关的力和力矩，pin代表和活塞销相关的力和力矩，Ip为活塞绕重心的转动惯量；
根据当前时刻的销横向运动加速度
Figure BDA0004101027990000047
和摆动加速度
Figure BDA0004101027990000048
采用变步长四阶龙格库塔法计算下一时刻的销横向运动速度
Figure BDA0004101027990000049
和摆动速度
Figure BDA00041010279900000410
同时根据上一时刻计算出的当前时刻销横向运动速度
Figure BDA00041010279900000411
和摆动速度
Figure BDA00041010279900000412
采用变步长四阶龙格库塔法计算下一时刻的销横向位移xp和摆动角度β。
本发明的优势在于：本发明考虑了实际柴油机稳定运行时发生的活塞裙部和缸套热变形对裙部润滑的影响，增加了活塞销摩擦力矩、活塞环对活塞的作用等受力因素，提出了较为全面、科学的裙部润滑特性计算方法；运用了经过Vogenpohl变换的平均雷诺方程和变步长四阶龙格库塔法等优化算法，利用相同的计算资源，克服了爆发压力附近和最小油膜数值较小等特殊条件下计算结果失真和求解不稳定的问题。为对实际柴油机活塞裙部润滑预测及优化设计提供一定支撑。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为油膜厚度沿轴向变化示意图；
图3为油膜厚度沿周向变化示意图；
图4为活塞受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明包括以下步骤：
步骤一、设定活塞二阶运动变量初值，开始曲轴转角循环。
设定活塞销中心处活塞横向位移xp、活塞销中心处活塞横向速度
Figure BDA0004101027990000051
活塞摆角β和活塞摆动速度
Figure BDA0004101027990000052
初始值，一般取为0。
步骤二、对活塞和缸套热变形量进行处理，结合活塞型线计算油膜厚度。
采用沿活塞中心轴方向长、短轴不断变化的椭圆面对考虑活塞热变形后的活塞型面进行简化，采用沿缸套中心轴方向长、短轴不断变化的4个1/4椭圆面对考虑缸套热变形的缸套内表面进行简化，具体的油膜厚度计算方法为：
首先，确定活塞型线凸点处的曲率Rp，缸套半径R，活塞推力侧和非推力侧热变形后的轴向型线f1,0°(y)和f1,90°(y)，缸套周向角度为0°、90°、180°和270°处的缸套轴向变形曲线d1,0°(y)、d1,90°(y)、d1,180°(y)和d1,270°(y)，计算得到裙部某处相对于凸点处的缩减量和缸套某处相对于冷态的变形量为：
Figure BDA0004101027990000053
其中yp为活塞裙部顶端距上止点的轴向位移。
其次，计算由活塞二阶运动导致的推力面油膜厚度变化量：
Figure BDA0004101027990000054
其中，a为活塞重心相对于活塞裙顶部的轴向位置，b为活塞销中心相对于活塞重心是轴向位置。
最后，得到裙部某处与缸套之间的油膜厚度为：
Figure BDA0004101027990000061
步骤三、通过混合润滑模型计算油膜压力和微凸体接触压力，后利用高斯-勒让德积分得到油膜承载力和微凸体接触力及力矩。
首先，利用经过Vogenpohl变换的平均雷诺方程计算油膜压力，方程为：
Figure BDA0004101027990000062
其中，油膜压力
Figure BDA0004101027990000063
φx、φy、φc、φs为流量因子，U为活塞轴向速度、σ为活塞裙部和缸套摩擦副的综合粗糙度。
其次，计算微凸体接触压力，方程为：
Figure BDA0004101027990000064
其中，E′为活塞裙和缸套综合弹性模量，η为峰元密度，β为峰元曲率半径，H为膜厚比(h/σ)。
最后，采用高斯-勒让德积分得到油膜承载力和微凸体接触力及力矩。
在步骤三中，将经过Vogenpohl变换的平均雷诺方程应用于混合润滑模型计算油膜压力，修正了网格不是非常细密情况下经典平均雷诺方程在最小油膜厚度很小时计算结果严重失真的问题。
步骤四、根据已知的当前时刻缸内气体力和活塞环摩擦力，通过动力学方程计算得到当前时刻连杆对销的力和力矩以及其它力和力矩，采用变步长四阶龙格库塔法对动力学方程进行求解，由当前时刻所受的力及力矩得到下一时刻的二阶运动变量值。
首先，根据已知的当前时刻缸内气体力和活塞环摩擦力以及上一步计算出来的与油膜和微凸体相关的力及力矩，得到连杆作用于活塞销的力，再由活塞销与连杆之间的摩擦系数得到连杆与活塞销之间的摩擦力矩，后利用建立的活塞裙部动力学方程计算当前时刻的活塞销横向运动加速度
Figure BDA0004101027990000065
和活塞摆动加速度
Figure BDA0004101027990000071
动力学方程为：
Figure BDA0004101027990000072
Figure BDA0004101027990000073
Figure BDA0004101027990000074
其中，
Figure BDA0004101027990000075
Mpin＝μpinFL，μ为摩擦系数，下角标f代表与摩擦力相关的力和力矩，下角标c代表与微凸体接触相关的力和力矩，下角标j代表与角点接触相关的力和力矩，下角标h代表与油膜动压润滑相关的力和力矩，G代表与缸内气体相关的力和力矩，L代表连杆作用于活塞销相关的力和力矩，pin代表和活塞销相关的力和力矩，Ip为活塞绕重心的转动惯量。
其次，根据当前时刻的销横向运动加速度
Figure BDA0004101027990000076
和摆动加速度
Figure BDA0004101027990000077
采用变步长四阶龙格库塔法计算下一时刻的销横向运动速度
Figure BDA0004101027990000078
和摆动速度
Figure BDA0004101027990000079
同时根据上一时刻计算出的当前时刻销横向运动速度
Figure BDA00041010279900000710
和摆动速度
Figure BDA00041010279900000711
采用变步长四阶龙格库塔法计算下一时刻的销横向位移xp和摆动角度β。
在步骤四中，动力学方程中考虑了活塞销与活塞之间的摩擦力矩、活塞环对活塞的横向摩擦力等力及力矩，并采用变步长四阶龙格库塔法对动力学方程进行求解，对爆发压力附近的计算步长进行自动加密。
步骤五、令当前时间和曲轴转角均增加一步，判段曲轴转角是否满足循环终止条件，若不满足更新当前时刻变量值继续计算，若满足进入下一步；
步骤六、判断本次工作循环是否满足收敛条件，若不满足更新二阶运动变量初值进行下一计算循环，若满足计算完成输出结果。
以活塞销横向位移和活塞摆动角度作为收敛判定参数，当不满足收敛条件时，将计算出最大曲轴转角处的销横向位移、摆动角度、销横向速度、摆动速度作为下一计算循环初值。

Claims (5)

1.一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法，其特征是：
(1)设定活塞二阶运动变量初值，开始曲轴转角循环；
(2)对活塞和缸套热变形量进行处理，结合活塞型线计算油膜厚度；
(3)通过混合润滑模型计算油膜压力和微凸体接触压力，利用高斯-勒让德积分得到油膜承载力和微凸体接触力及力矩；
(4)根据已知的当前时刻缸内气体力和活塞环摩擦力，通过动力学方程计算得到当前时刻连杆对销的力和力矩以及其它力和力矩，采用变步长四阶龙格库塔法对动力学方程进行求解，由当前时刻所受的力及力矩得到下一时刻的二阶运动变量值；
(5)令当前时间和曲轴转角均增加一步，判段曲轴转角是否满足循环终止条件，若不满足更新当前时刻变量值继续计算，若满足进入下一步；
(6)判断本次工作循环是否满足收敛条件，若不满足更新二阶运动变量初值进行下一工作循环计算，若满足计算完成输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法，其特征是：步骤一具体为：设定活塞销中心处活塞横向位移xp、活塞销中心处活塞横向速度
Figure FDA0004101027980000011
活塞摆角β和活塞摆动速度
Figure FDA0004101027980000012
初始值。
3.根据权利要求1所述的一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法，其特征是：步骤二具体为：采用沿活塞中心轴方向长、短轴不断变化的椭圆面对考虑活塞热变形后的活塞型面进行简化，采用沿缸套中心轴方向长、短轴不断变化的4个1/4椭圆面对考虑缸套热变形的缸套内表面进行简化，具体的油膜厚度计算方法为：
确定活塞型线凸点处的曲率Rp、缸套半径R、活塞推力侧和非推力侧热变形后的轴向型线f1,0°(y)和f1,90°(y)，缸套周向角度为0°、90°、180°和270°处的缸套轴向变形曲线d1,0°(y)、d1,90°(y)、d1,180°(y)和d1,270°(y)，计算得到裙部相对于凸点处的缩减量和缸套某处相对于冷态的变形量为：
Figure FDA0004101027980000021
其中yp为活塞裙部顶端距上止点的轴向位移；
计算由活塞二阶运动导致的推力面油膜厚度变化量：
Figure FDA0004101027980000022
其中，a为活塞重心相对于活塞裙顶部的轴向位置，b为活塞销中心相对于活塞重心是轴向位置；
得到裙部与缸套之间的油膜厚度为：
Figure FDA0004101027980000023
4.根据权利要求1所述的一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法，其特征是：步骤三具体为：
利用经过Vogenpohl变换的平均雷诺方程计算油膜压力，方程为：
Figure FDA0004101027980000024
其中，油膜压力
Figure FDA0004101027980000025
φx、φy、φc、φs为流量因子，U为活塞轴向速度、σ为活塞裙部和缸套摩擦副的综合粗糙度；
计算微凸体接触压力，方程为：
Figure FDA0004101027980000026
其中，E′为活塞裙和缸套综合弹性模量，η为峰元密度，β为峰元曲率半径，H为膜厚比(h/σ)；
采用高斯-勒让德积分得到油膜承载力和微凸体接触力及力矩。
5.根据权利要求1所述的一种考虑活塞与缸套热变形的裙部润滑特性仿真方法，其特征是：步骤四具体为：
根据已知的当前时刻缸内气体力和活塞环摩擦力以及与油膜和微凸体相关的力及力矩，得到连杆作用于活塞销的力，再由活塞销与连杆之间的摩擦系数得到连杆与活塞销之间的摩擦力矩，利用建立的活塞裙部动力学方程计算当前时刻的活塞销横向运动加速度
Figure FDA0004101027980000031
和活塞摆动加速度
Figure FDA0004101027980000032
动力学方程为：
Figure FDA0004101027980000033
Figure FDA0004101027980000034
Figure FDA0004101027980000035
其中，
Figure FDA0004101027980000036
Mpin＝μpinFL，μ为摩擦系数，下角标f代表与摩擦力相关的力和力矩，下角标c代表与微凸体接触相关的力和力矩，下角标j代表与角点接触相关的力和力矩，下角标h代表与油膜动压润滑相关的力和力矩，G代表与缸内气体相关的力和力矩，L代表连杆作用于活塞销相关的力和力矩，pin代表和活塞销相关的力和力矩，Ip为活塞绕重心的转动惯量；
根据当前时刻的销横向运动加速度
Figure FDA0004101027980000037
和摆动加速度
Figure FDA0004101027980000038
采用变步长四阶龙格库塔法计算下一时刻的销横向运动速度
Figure FDA0004101027980000039
和摆动速度
Figure FDA00041010279800000310
同时根据上一时刻计算出的当前时刻销横向运动速度
Figure FDA00041010279800000311
和摆动速度
Figure FDA00041010279800000312
采用变步长四阶龙格库塔法计算下一时刻的销横向位移xp和摆动角度β。
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