活塞以及活塞的设计方法技术

本发明专利技术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。通过本发明专利技术提供的技术方案，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。活塞的敲击能量较大的技术问题。活塞的敲击能量较大的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
活塞以及活塞的设计方法


[0001]本专利技术涉及发动机的活塞
，具体而言，涉及一种活塞以及活塞的设计方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，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。
[0006]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。
[0007]根据本专利技术的另一方面，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。
[0008]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。
[0009]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，a0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。
[0010]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，b1和b2均为波峰的高度，x1和x2均为波峰的半宽，e
12
为相邻两个波峰之间的间隔。
[0011]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。
[0012]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p2；根据油膜压力p2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。
[0013]进一步地，计算活塞的裙部与缸套之间的油膜压力p2的方法包括：求解油膜压力的计算公式，油膜压力p2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。
[0014]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
＝τ0A
asperity
＋α0F
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，τ0为剪应力常数，α0为接触常数，A
asperity
为裙部与缸套的接触面积。
[0015]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FMEP2，将活塞的裙部与缸套的平均摩擦有效压力FMEP2作为活塞的摩擦损失，计算公式为：；其中，V为发动机排量。
[0016]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，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，a0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，b1和b2均为波峰的高度，x1和x2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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成，朱桂香，晁坤，倪玉权，王蒙山，孙楠楠，
申请(专利权)人：潍柴动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：