减振器参数对缸套减振效果的影响

减振器参数对缸套减振效果的影响

马学军，梅小龙，李 瑰

（中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051）

摘要：针对活塞敲击力引起缸套的横向振动问题，通过对缸套的三维实体模型和有限元模型的建立，分析了缸套的约束模态及其动力学特性，并运用瞬态动力学分析法研究了减振器参数大小对缸套振动幅度的影响，为减振器参数的设计提供了参考。

关键词：减振器；参数；缸套；有限元分析

0 引言

发动机作为汽车的心脏，很多国家都对其节能和环保技术进行了大量的研究。活塞敲击力引起缸套的振动，直接影响活塞缸套系统摩擦副的摩擦、磨损和润滑性能，进而影响内燃机的输出扭矩、有用功率、尾气排放等指标［1］，因此，对发动机活塞缸套系统的振动进行研究很有意义。

对于活塞敲击引起的振动，国内外学者很早就进行了研究，如构建活塞侧击力的数学模型，然后对其引起的缸套振动进行分析；探究活塞、缸套之间油膜压力对敲击振动的影响等［2］。本文通过安装减振器来减振，并利用ANSYS进行有限元分析，采用瞬态动力学的分析方法探究减振器的阻尼、刚度参数对活塞敲击产生的横向振动的影响。

1 理论基础

内燃机的工作机构主要是曲柄连杆机构，本文主要研究中心曲柄连杆机构，这种机构在发动机中得到了广泛应用。

图1为曲柄连杆机构运动简图［3-4］。设曲柄半径OB的长度为r，连杆AB的长度为l，曲柄顺时针转动时，任意时刻曲柄转角为α。则活塞的位移x为：

将r与l的比值定义为连杆比，用λ表示，即：

由式（1）～式（3）得到活塞的位移表达式为：

其中：ω为曲柄运行角速度。

式（4）对时间求二阶导，得活塞的加速度为：

从动力学原理分析，发动机的主要力源有：①缸内的燃气压力，这是发动机最重要的激励源；②摩擦阻力，其值一般较小而且变化规律非常复杂，分析时常忽略不计；③惯性力，它的大小和运动件的质量成正比；④发动机曲轴上的负载阻力，它与主动力平衡，分析时不需要考虑。所以，对于活塞缸套系统的动力学研究，主要是分析燃气压力和惯性力变化规律对各构件的影响。

随着曲轴转角变化，缸内燃气压力做周期变化，作用在活塞上的气体压力pg为：

其中：D为活塞的直径；Δp为活塞上、下两面的压力差。

要得到机构的惯性力，首先要知道质量的分布情况和加速度。以上分析中已经计算得到了活塞的加速度，只需确定质量分布状况即可。机构各构件的质量分布情况是非常复杂的，必须简化处理，因此对机构进行质量等效换算。往复运动质量mj为：

其中：mp为活塞组质量；m1为连杆小头等效质量。

往复运动质量和加速度的乘积称为往复惯性力，方向与加速度方向相反。往复惯性力pj为：

2 有限元分析

由于往复惯性力和气体压力在同一条直线上，二者的代数和为：

图2为曲柄连杆机构受力简图。由图2可知，p∑可分解为沿着连杆轴线的连杆力K和垂直于缸壁的侧向力N，即：

2.1 实体模型的建立

因为Pro/E具有强大的三维建模功能，并且与有限元分析软件ANSYS有良好的数据接口，所以本文选用Pro/E创建三维实体模型，然后将其导入有限元软件ANSYS中。有限元分析中，不可能考虑所有的复杂因素，只能考虑一些主要的关键因素，因此利用三维模型建立有限元模型前必须先对一些次要结构进行简化处理。本文对实体模型中的倒角、小凹槽和较小圆孔进行了简化处理，以使计算精度更高；对缸套模型中的小凸台进行简化处理，更有利于网格正常划分；对缸套模型中散热片进行了简化处理，防止由于不正常的奇异单元使计算不能进行。经过简化处理后的缸套实体模型如图3所示。

图1 曲柄连杆机构运动简图

图2 曲柄连杆机构受力简图

2.2 有限元模型的建立

将实体模型简化后导入有限元分析软件ANSYS中，利用其中的四面体单元Solid42对实体模型进行网格划分，设置单元类型和材料属性，建立缸套有限元模型。对缸套实体模型进行网格划分时，要处理好缸套散热片单元与缸套主体单元连接处共用节点的问题。缸套的有限元模型如图4所示，共有56 055个节点，174 845个单元。

图3 简化处理后的缸套实体模型

图4 缸套的有限元模型

2.3 瞬态动力学分析

考虑到计算精度和缸套激励力多次加载时需要数组的运用，所以，选用软件提供的完全法对活塞缸套系统的动响应进行计算［5］。

由于瞬态动力分析过程中需要利用循环语句实现多次加载、计算和卸载，兼顾计算精度与计算效率选择载荷步数为30、载荷子步数为2，以满足分析的要求［6］。图5为各载荷步中施加的载荷在周期活塞敲击力中的分布情况。

通过有限元分析软件ANSYS后处理模块可得到缸套主要部分所有节点在活塞敲击作用下的横向振幅，缸套在最大振幅时刻的整体动响应如图6所示。在最大振幅节点，发动机爆压产生时是缸套振动最激烈的时刻，该时刻活塞主推力面在缸套上的作用部分是振动最激烈的位置。

图5 力载荷分布情况

图6 缸套在最大振幅时的整体动响应

3 减振器参数对缸套最大振幅的影响

为减小发动机缸套的振动，采用加装减振器来抑制甚至消除其振动。减振器的刚度k和阻尼c对其减振效果起到决定作用，减振器安装在振幅最大的部位。在瞬态动力学分析的方法中减振器的有限元模型选用弹簧单元Combin40。图7为安装减振器后缸套约束有限元模型。在实际工况下，通过对减振器的刚度和阻尼参数与发动机缸套振幅之间的关系进行研究，获得减振器刚度k和阻尼c大小对缸套最大振幅的影响，如图8、图9所示。从图8可以看出，若减振器的刚度恒定时，减振效果受到阻尼大小的影响，当阻尼比较小时，减振效果不是很明显，阻尼越大，减振效果越好，但其趋势在减慢。从图9可以看出，若减振器的阻尼恒定时，减振效果受到刚度的影响，伴随刚度的增大减振效果近似成线性比例关系，刚度比较小时，减振效果很小；伴随刚度增大，减振效果变好。

图7 安装减振器后缸套约束有限元模型

图8 最大振幅随阻尼的变化情况

图9 最大振幅随刚度的变化情况

4 结语

通过以上的研究，得到如下的结论：①在一定的范围内，发动机缸套的减振效果和安装在其上的减振器刚度、阻尼数值大小紧密相关，第一关键要素是阻尼，第二关键要素是刚度；②在一定的范围内，减振器刚度和阻尼的数值越大，其减振效果越好。以上结论为减振器的设计提供了理论指导，在当前机械制造工艺水平下，减振器的阻尼和刚度的大小应尽可能取较大值。

参考文献：

［1］ 鹿云.柴油机活塞环缸套摩擦学特性研究［J］.汽车技术，2008（12）：48-51.

［2］ 赵明.内燃机活塞敲击力及其引起的机体振动研究［D］.天津：天津大学，2005：5-6.

［3］ 乔英志，黄加亮.柴油机曲柄连杆机构运动学与动力学仿真［J］.集美大学学报，2012（1）：49-54.

［4］ 梅小龙.消除活塞敲击影响的侧向阻尼装置研究［D］.太原：中北大学，2013：7-12.

［5］ 张红松，胡仁喜.ANSYS 13.0有限元分析从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［6］ 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程［M］.北京：机械工业出版社，2004.

Influence of Shock Absorber Parameters on Cylinder Liner Damping Effect

MA Xue-jun，MEI Xiao-long，LI Gui
（School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：To the problem of cylinder liner’s transverse vibration caused by piston slap force，through the establishment of 3Dentity model and the finite element model for the cylinder liner，we analyzed the constraint modal and the dynamic characteristics of cylinder liner，and studied the influence of shock absorber parameters on the vibration amplitude of cylinder liner by the transient dynamics analysis method，to provide a basis for the design of shock absorbers.

Key words：shock absorber；parameter；cylinder liner；finite element analysis

中图分类号：TP391.7∶U463.213

文献标识码：A

文章编号：1672-6413（2016）01-0076-02

收稿日期：2015-03-23；

修订日期：2015-11-28

作者简介：马学军 （1989-），男，山西运城人，在读硕士研究生，研究方向为内燃机振动与噪声控制。