A new numerical analysis for piston skirt–liner system lubrication considering the effects of connecting rod inertia

A new numerical analysis for the piston skirt is conducted to consider the effects of the connecting rod inertia on the piston skirt–liner system lubrication. The piston dynamics, the oil film and the friction loss of the system are analyzed and compared with one earlier model that has been adopted widely. The results on a gasoline engine show that the connecting rod inertia does have some influence on the system lubrication as well as the piston dynamics, especially when engine runs at high speeds.     

二甲醚发动机活塞二阶运动-润滑耦合模型建立及数值分析

通过改造潍柴WP6发动机的供油、燃烧系统,开发出一台二甲醚发动机。试验采集二甲醚发动机燃烧参数,针对活塞运动和润滑分析,建立活塞裙部系统以及由曲轴、连杆、活塞组成的多体系统的耦合润滑模型。基于拉格朗日乘子法建立多体动力学方程,并采用有限单元法对润滑模型进行求解。将耦合计算结果与实验对比,验证模型准确性。根据现有二甲醚发动机活塞裙部的结构参数,研究不同活塞结构参数对敲缸及润滑的影响。结果表明,活塞间隙越小时,活塞二阶运动的空间越小,导致敲缸现象减弱,磨损降低,但较小的间隙会产生比较高的油膜剪切力,微凸体表面接触也会加剧,引起较大的摩擦力及摩擦功耗;活塞裙桶形面最高点的位置也会影响活塞裙-缸套系统的运动和润滑特性;桶形面与活塞销中心的距离越小越容易满足力与力矩平衡条件,有利于降低敲缸以及摩擦损耗。     

表面粗糙度和润滑油黏度对活塞裙-缸套摩擦副润滑性能的影响

以一多缸内燃机为对象,研究表面粗糙度和润滑油黏度对活塞裙-缸套摩擦副润滑性能的影响。建立活塞二阶运动方程与平均Reynolds方程相结合的活塞裙-缸套摩擦副润滑分析模型。活塞二阶运动方程采用Broyden方法求解,应用有限差分法进行活塞裙-缸套摩擦副的润滑分析。结果表明,表面粗糙度对活塞裙-缸套摩擦副润滑性能影响不明显,而随润滑油黏度增加,活塞裙-缸套摩擦副的最小油膜厚度、摩擦力和摩擦功率增加,最大油膜压力在进气和排气行程随润滑油黏度变化比较明显,在其他行程变化较小。     

活塞裙部型线对流体动力润滑特性的影响

从活塞裙相对于气缸壁面变速润滑运动的状态出发，建立了雷诺方程，再以椭圆-双曲面表达热态时活塞裙部型面的形状，以解析式模拟裙部表面和气缸壁面之间的油膜分布，在最小油膜厚度不能小于气缸壁面和裙部表面的粗糙度的前提下，用有限元方法解雷诺方程，得出分布的油膜压力。并用油膜压力合力与侧压力是否平衡来判断裙部型面的设计是否合适。在计算过程中还发现中凸点附近的曲率半径不能过小。     

增压条件下活塞的动压润滑分析

根据流体动力润滑理论与活塞动力学方程建立的分析模型，依据发动机燃气压力的变化，计算了增压前后的活塞裙部最小润滑油膜厚度和摩擦力。结果表明，发动机增压后，主推力边和次推力边的最小润滑油膜厚度分别变小，裙部的摩擦力和摩擦功耗增大。因增压后活塞润滑能力降低，并且摩擦功耗增加，会对整机的可靠性产生影响，这些都应当在增压改进设计时予以重视。     

Dynamic analysis of a reciprocating compression mechanism considering hydrodynamic forces

In this paper, a dynamic analysis of the reciprocating compression mechanism of a small refrigeration compressor is performed. In the problem formulation of the mechanism dynamics, the viscous frictional force between the piston and the cylinder wall is considered in order to determine the coupled dynamic behaviors of the piston and the crankshaft. Simultaneous solutions are obtained for the equations of motion of the reciprocating mechanism and the time-dependent Reynolds equations for the lubricating film between the piston and the cylinder wall and for the oil films on the journal bearings. The hydrodynamic forces of the journal bearings are calculated by using a finite bearing model along with the Gümbel boundary condition. A Newton-Raphson procedure is employed in solving the nonlinear equations for the piston and crankshaft. The developed computer program can be used to calculate the complete trajectories of the piston and the crankshaft as functions of the crank angle under compressor-running conditions. The results explored the effects of the radial clearance of the piston, oil viscosity, and mass and mass moment of inertia of the piston and connecting rod on the stability of the compression mechanism.     

非线性轴承-转子系统的稳定性和分岔

研究了非解析径向椭圆轴承支承的转子系统的稳定性和分岔。考虑了转动惯量的影响,利用非线性油膜力以增加数值计算的精度。在不需要额外再解Reynolds方程的情况下,采用等参有限元法,求解了具有Reynolds边值条件的流体润滑椭圆型变分约束方程,使得动力积分过程中所需非线性油膜力及其Jacobian矩阵能够同时计算完成并且具有足够且协调一致的精度。在稳定性分析中,运用打靶法和轨迹预测追踪算法研究了系统非线性不平衡响应,结合Floquet理论研究了随着轴承设计参数改变时非线性轴承—转子系统T周期运动的局部稳定性和分岔行为。     

考虑表面接触力的滑靴副油膜特性分析方法

由于受倾覆力及刚体表面粗糙度影响,液压柱塞泵斜盘-滑靴运动副(滑靴副)在相对运动时处于混合润滑状态。斜盘和滑靴表面接触引起弹性和塑性变形,进而产生表面接触力。接触力与油膜厚度密切相关,在油膜特性分析时不应被忽略。提出一种基于流体动压润滑理论的滑靴副油膜特性(油膜厚度、压力分布、油膜间隙流量)的分析与计算方法,考虑了滑靴副粗糙表面的支撑力影响。在雷诺流体动压润滑方程基础上,考虑滑靴副刚体表面粗糙度水平和油膜厚度,计算液压柱塞泵不同工况下的表面接触支撑力,并将接触力融入运动副的受力方程。提出了基于改进的雷诺流体动压润滑方程的数值计算方法,并进行了仿真分析,通过间接对比滑靴副间隙流量的仿真结果,证实了提出方法的有效性和结果的准确性。     

活塞偏心倾斜对双筒液压减振器动态阻尼特性影响分析*

考虑活塞偏心和倾斜后活塞与缸筒之间的摩擦与润滑因素,研究充气式双筒液压减振器动态阻尼特性;建立活塞偏心和倾斜的双筒式液压减振器的动态阻尼特性数学模型和动压润滑方程,求解减振器动态阻尼特性数学方程;采用雷诺空化边界条件,对Reynolds方程采用五点差分法进行离散,利用超松弛迭代法(SOR)迭代求解,得到摩擦阻尼力;分析活塞偏心距比、活塞倾斜角度,活塞倾斜时活塞运动速度、活塞半径、活塞宽度等因素对摩擦阻尼的影响,以及各摩擦因素对减振器动态阻尼特性的影响。结果表明:活塞偏心和倾斜时,随活塞速度、偏心距比、活塞倾斜角度、活塞宽度等的增加,减振器活塞与缸筒之间的油膜摩擦力均增加,而随活塞半径的增加,油膜摩擦力减小。减振器活塞发生倾斜时,会造成阻尼力的大幅增加,严重影响车辆行驶的舒适性能,且活塞速度越快,对舒适性影响越严重。