内燃机活塞机构的优化设计

内燃机活塞机构的优化设计

余晓强

广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林市537000

摘要：内燃机在国民经济中有着举足轻重的地位，它为机械的运行提供主导动力，而活塞机构则是内燃机中最重要的运动机构之一，活塞机构的特性对内燃机的性能有很大的影响。对活塞机构进行优化设计，提升内燃机的性能，对促进经济发展、节能减排等有重要意义。

关键词：内燃机活塞机构；优化设计；                  

前言：活塞连杆机构是内燃机的主要运动、工作部件由活塞、连杆和曲轴组成曲柄滑块机构，其功能是将燃料燃烧后产生的热能转化为机械能。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆，驱动曲轴旋转。活塞直接与高温气体接触，顶部承受巨大的气体压力，在高温、高压和润滑不良的恶劣条件下工作，容易发生故障。所以对活塞连杆机构进行运动分析，求出活塞的位移、速度和加速度、活塞行程与汽缸容积之间的关系，检验零件之间的运动是否会发生干涉，干涉的体积有多大，然后根据运动及受载情况对活塞结构进行优化设计是十分必要的。

一、内燃机活塞机构运动分析

往复活塞式内燃机的工作腔为气缸，传动机构由活塞、曲轴、连杆等组成，活塞在气缸内做往复直线运动，曲轴绕其轴线做圆周运动，连杆做平面运动，上述运动方式可用曲柄滑块机构的运动简图表示。目前，针对内燃机的对心曲柄滑块机构研究较多，而对于偏置活塞式内燃机的活塞机构的优化设计较少。另外，在优化偏置曲柄滑块机构的方法中，大多是以机构最小传动角的最大化作为优化目标，而没有考虑到曲柄滑块机构的运动过程是动态的，取最小传动角为研究对象不能完全反映机构在整个行程中的传力性能。对于四冲程内燃机，在一个工作循环中，只有做功冲程产生动力，优化在这一行程中曲柄滑块机构的传力性能可提高内燃机的综合性能活塞连杆机构运动仿真进行机构运动仿真的前提是创建机构。创建机构与零件装配都是在组件模式下将单个零件装成一个完整的模型。创建机构是应用连接功能连接机构中的各构件，而零件装配是通过定义装配约束来安装各零部件；由零件装配得到装配体。其内部的零件之间没有相对运动，而由连接得到机构，构件之间具有一定的自由度，在添加适当的驱动伺服电动机以后，构件之间可以产生一定的相对运动。建立组件文件。进入装配模块，正确定义各零件间的连接形式，连接完成后的活塞连杆机构虚拟样机如进入Pro／模块，通过拖动的方式对机构的运动进行检测，如果拖动过程中，机构的运动与设计意图相同，则进行机构的运动分析。否则，需要重新编辑机构之间的连接形式，直到通过拖动检测出机构的运动与设计意图相同。创建伺服电动机。机构具有确定运动的条件是机构的自由度等于原动件数，所以，机构具有几个自由度，就需要创建几个伺服电动机来驱动。活塞连杆机构只有一个自由度，因此需要创建一个伺服电动机。选择基座与曲轴的销钉连接轴作为伺服电动机的驱动对象，定义伺服电动机的模为常数完成伺服电动机的创建。创建快照。拖动滑块到达上下死点位置，各建立一个快照。为了分析滑块的位移，速度和加速度特性，在建立分析任务之前首先必须建立曲轴轴线到滑块顶面之间的距离测量特性。选择运动学选项为分析类型设置终止时间为20 S的分析结果集。

二、内燃机活塞机构的优化设计

1.静态、动态结构分析于一体的有限元模块，为零件施加真实工作环境下的约束及载荷计算出应力、应变和位移等参数．实现静态、翘曲、疲劳、频率、振动和热力学等分析；通过指定设计参数，能够在给定结构参数变化范围内进行敏感度分析。将设计问题的理学特性与数值分析相结合，以曲柄存在的条件及各几何关系作为约束条件，以活塞上单位驱动力的无效分量在做功冲程中之和的最小值为目标函数，建立内燃机活塞机构的优化模型。把高度非线性问题转化为一系列近似的带状显示约束问题，通过数学优化方法为零件结构寻找到最优参数。简化模型结构分析标准设计研究活塞结构优化设计的条件：活塞材料为AL6061合金铝，抗张屈服应力为240MPa，抗张极限强度为290MPa，疲劳强度为95MPa，热传导系数为活塞顶部承受2 500 K，9MPa高温气体载荷作用。活塞往返运行10×106次；进行活塞结构优化分析时，在保证分析精度的前提下，应将不影响分析结果的特征进行简化，尽量不出现锐角等难以网格化的结构缺陷。考虑到活塞几何造型及承受载荷的对称性，取活塞零件模型的四分之一作为分析模型，这样既可以简化计算过程又可以得到可信的分析结果。

2.活塞分析模型根据结构优化分析要求简化活塞模型，选择菜单栏的命令，进入到模块。按照结构优化条件为分析模型分配材料；定义约束；创建载荷，完成活塞优化分析之前的准备工作。结构分析及热力学分析结构分析及热力学分析是在零件材料，约束及载荷已知的情况下，分析零件结构的可靠性，为零件结构优化设计研究作准备。结构分析和热力学分析的分析步骤完全相同，都是按照[定义分析任务]一[分析计算]一[输出分析结果]的过程进行。下面以静态分析为例，来说明结构分析及热力学分析的方法：通过分析可以得出结论，活塞在工作过程中。危险应力位置在活塞销座上表面的内侧边缘活塞销座内侧边缘存在局部应力集中现象，该处为活塞可能发生失效的位置。使活塞重量减轻．尺寸分布更加合理，不会在理论载荷范围内出现零件破坏，提高了活塞设计的可靠性。

3.活塞结构优化设计。优化设计是求解分析模型上指定的各个参数在满足必要的约束条件时，使定义的目标函数取得极值时的最优值。优化设计包含了标准设计和敏感度分析。通过敏感度分析得到影响模型应力，应变的参数尺寸范围．最后通过优化设计得到最佳尺寸。活塞结构优化设计的要求为：模型内部最大应力不超过95MPa，满足安全性要求，优化活塞顶部厚度和桶壁厚度尺寸参数使活塞材料最省。按照活塞结构优化设计要求建立优化设计数学模型．确定设计变昔为活塞顶部厚度和桶壁厚度尺寸参数；约束条件是工程实际对设计变量取值范围的限制条件，模型内部最大应力不超过95MPpa；目标函数是活塞重量最轻。优化后活塞的加速度普遍减小，且峰值由优化前的减为优化后减少了由于加速度的大小反映惯性力，优化后活塞加速度减小，所以使得惯性力减小，改善了活塞机构的运动性能。优化后活塞与缸套间的正压力基本上比优化前的相应值小，峰值由优化前的 410.8N 减为优化后的 402.9N，减少了1.9%，所以活塞与缸套间之间的摩擦力也减小，从而延长这两个零件的使用寿命。活塞连杆体可以在该尺寸的情况下满足刚强度要求。减轻其体积可以减少原材料的浪费、降低成本、对提高企业的竞争力有重要的实际意义。

结论

本文基于对偏置曲柄滑块机构的相关分析，对内燃机活塞机构进行了优化设计，得到以下结论：优化后的偏置活塞式内燃机曲柄滑块机构的最小传动角满足许用传动角的约束，传力性能较好；优化后活塞上驱动力的无效分量在做功冲程中之和比优化前减小优化效果良好；优化后活塞的加速度减小且峰值减小使得惯性力减小，改善了活塞机构的运动性能；优化后活塞与缸套间的正压力基本上比优化前的相应值小，正压力峰值减小从而活塞与缸套之间的摩擦力减小，偏磨情况得到改善，延长了零件的使用寿命。

参考文献：

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