減振器參數對缸套減振效果的影響

馬學軍，梅小龍，李 瑰

（中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

摘要：針對活塞敲擊力引起缸套的橫向振動問題，通過對缸套的三維實體模型和有限元模型的建立，分析了缸套的約束模態及其動力學特性，並運用瞬態動力學分析法研究了減振器參數大小對缸套振動幅度的影響，為減振器參數的設計提供了參考。

關鍵詞：減振器；參數；缸套；有限元分析

發動機作為汽車的心臟，很多國家都對其節能和環保技術進行了大量的研究。活塞敲擊力引起缸套的振動，直接影響活塞缸套系統摩擦副的摩擦、磨損和潤滑性能，進而影響內燃機的輸出扭矩、有用功率、尾氣排放等指標［1］，因此，對發動機活塞缸套系統的振動進行研究很有意義。

對於活塞敲擊引起的振動，國內外學者很早就進行了研究，如構建活塞側擊力的數學模型，然後對其引起的缸套振動進行分析；探究活塞、缸套之間油膜壓力對敲擊振動的影響等［2］。本文通過安裝減振器來減振，並利用ANSYS進行有限元分析，採用瞬態動力學的分析方法探究減振器的阻尼、剛度參數對活塞敲擊產生的橫向振動的影響。

內燃機的工作機構主要是曲柄連桿機構，本文主要研究中心曲柄連桿機構，這種機構在發動機中得到了廣泛應用。

圖1為曲柄連桿機構運動簡圖［3-4］。設曲柄半徑OB的長度為r，連桿AB的長度為l，曲柄順時針轉動時，任意時刻曲柄轉角為α。則活塞的位移x為：

將r與l的比值定義為連桿比，用λ表示，即：

由式（1）～式（3）得到活塞的位移表達式為：

其中：ω為曲柄運行角速度。

式（4）對時間求二階導，得活塞的加速度為：

從動力學原理分析，發動機的主要力源有：①缸內的燃氣壓力，這是發動機最重要的激勵源；②摩擦阻力，其值一般較小而且變化規律非常複雜，分析時常忽略不計；③慣性力，它的大小和運動件的質量成正比；④發動機曲軸上的負載阻力，它與主動力平衡，分析時不需要考慮。所以，對於活塞缸套系統的動力學研究，主要是分析燃氣壓力和慣性力變化規律對各構件的影響。

隨著曲軸轉角變化，缸內燃氣壓力做周期變化，作用在活塞上的氣體壓力pg為：

其中：D為活塞的直徑；Δp為活塞上、下兩面的壓力差。

要得到機構的慣性力，首先要知道質量的分布情況和加速度。以上分析中已經計算得到了活塞的加速度，只需確定質量分布狀況即可。機構各構件的質量分布情況是非常複雜的，必須簡化處理，因此對機構進行質量等效換算。往複運動質量mj為：

其中：mp為活塞組質量；m1為連桿小頭等效質量。

往複運動質量和加速度的乘積稱為往複慣性力，方向與加速度方向相反。往複慣性力pj為：

2 有限元分析

由於往複慣性力和氣體壓力在同一條直線上，二者的代數和為：

圖2為曲柄連桿機構受力簡圖。由圖2可知，p∑可分解為沿著連桿軸線的連桿力K和垂直於缸壁的側向力N，即：

2.1 實體模型的建立

因為Pro/E具有強大的三維建模功能，並且與有限元分析軟體ANSYS有良好的數據介面，所以本文選用Pro/E創建三維實體模型，然後將其導入有限元軟體ANSYS中。有限元分析中，不可能考慮所有的複雜因素，只能考慮一些主要的關鍵因素，因此利用三維模型建立有限元模型前必須先對一些次要結構進行簡化處理。本文對實體模型中的倒角、小凹槽和較小圓孔進行了簡化處理，以使計算精度更高；對缸套模型中的小凸台進行簡化處理，更有利於網格正常劃分；對缸套模型中散熱片進行了簡化處理，防止由於不正常的奇異單元使計算不能進行。經過簡化處理後的缸套實體模型如圖3所示。

圖1 曲柄連桿機構運動簡圖

圖2 曲柄連桿機構受力簡圖

2.2 有限元模型的建立

將實體模型簡化後導入有限元分析軟體ANSYS中，利用其中的四面體單元Solid42對實體模型進行網格劃分，設置單元類型和材料屬性，建立缸套有限元模型。對缸套實體模型進行網格劃分時，要處理好缸套散熱片單元與缸套主體單元連接處共用節點的問題。缸套的有限元模型如圖4所示，共有56 055個節點，174 845個單元。

圖3 簡化處理後的缸套實體模型

圖4 缸套的有限元模型

2.3 瞬態動力學分析

考慮到計算精度和缸套激勵力多次載入時需要數組的運用，所以，選用軟體提供的完全法對活塞缸套系統的動響應進行計算［5］。

由於瞬態動力分析過程中需要利用循環語句實現多次載入、計算和卸載，兼顧計算精度與計算效率選擇載荷步數為30、載荷子步數為2，以滿足分析的要求［6］。圖5為各載荷步中施加的載荷在周期活塞敲擊力中的分布情況。

通過有限元分析軟體ANSYS後處理模塊可得到缸套主要部分所有節點在活塞敲擊作用下的橫向振幅，缸套在最大振幅時刻的整體動響應如圖6所示。在最大振幅節點，發動機爆壓產生時是缸套振動最激烈的時刻，該時刻活塞主推力面在缸套上的作用部分是振動最激烈的位置。

圖5 力載荷分布情況

圖6 缸套在最大振幅時的整體動響應

為減小發動機缸套的振動，採用加裝減振器來抑制甚至消除其振動。減振器的剛度k和阻尼c對其減振效果起到決定作用，減振器安裝在振幅最大的部位。在瞬態動力學分析的方法中減振器的有限元模型選用彈簧單元Combin40。圖7為安裝減振器後缸套約束有限元模型。在實際工況下，通過對減振器的剛度和阻尼參數與發動機缸套振幅之間的關係進行研究，獲得減振器剛度k和阻尼c大小對缸套最大振幅的影響，如圖8、圖9所示。從圖8可以看出，若減振器的剛度恆定時，減振效果受到阻尼大小的影響，當阻尼比較小時，減振效果不是很明顯，阻尼越大，減振效果越好，但其趨勢在減慢。從圖9可以看出，若減振器的阻尼恆定時，減振效果受到剛度的影響，伴隨剛度的增大減振效果近似成線性比例關係，剛度比較小時，減振效果很小；伴隨剛度增大，減振效果變好。

圖7 安裝減振器後缸套約束有限元模型

圖8 最大振幅隨阻尼的變化情況

圖9 最大振幅隨剛度的變化情況

通過以上的研究，得到如下的結論：①在一定的範圍內，發動機缸套的減振效果和安裝在其上的減振器剛度、阻尼數值大小緊密相關，第一關鍵要素是阻尼，第二關鍵要素是剛度；②在一定的範圍內，減振器剛度和阻尼的數值越大，其減振效果越好。以上結論為減振器的設計提供了理論指導，在當前機械製造工藝水平下，減振器的阻尼和剛度的大小應儘可能取較大值。

參考文獻：

［1］ 鹿雲.柴油機活塞環缸套摩擦學特性研究［J］.汽車技術，2008（12）：48-51.

［2］ 趙明.內燃機活塞敲擊力及其引起的機體振動研究［D］.天津：天津大學，2005：5-6.

［3］ 喬英志，黃加亮.柴油機曲柄連桿機構運動學與動力學模擬［J］.集美大學學報，2012（1）：49-54.

［4］ 梅小龍.消除活塞敲擊影響的側向阻尼裝置研究［D］.太原：中北大學，2013：7-12.

［5］ 張紅松，胡仁喜.ANSYS 13.0有限元分析從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［6］ 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程［M］.北京：機械工業出版社，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

中圖分類號：TP391.7∶U463.213

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6413（2016）01-0076-02

收稿日期：2015-03-23；

修訂日期：2015-11-28

作者簡介：馬學軍 （1989-），男，山西運城人，在讀碩士研究生，研究方向為內燃機振動與雜訊控制。