摘要：随着全球环境问题日益严重和能源的不断枯竭，提高发动机的性能，研发新型高效率低能耗的发动机已经成为必然趋势。而作为发动机中主要的动力机构，曲轴连杆活塞系统在整机中占有极其重要的地位，其动力学学性能直接影响到了发动机工作的可靠性和耐久性。所以对于某一型号新型发动机，对其核心部件曲轴连杆系统做动力学分析就显得极其重要了，本文就针对某一新型发动机，对其特殊的曲轴连杆活塞系统，做动力学建模并进行数值模拟，从而得到其动力学参数。
关键词：活塞动力学 建模 能源
1系统动力学建模
1.1活塞受力分析[2][3]
活塞受力分析，为活塞侧向油膜支撑力，为活塞侧向摩擦力，其方向由活塞的速度方向决定，为连杆小头给活塞销的力，点为活塞的质心，其中活塞的质量为，活塞销的质量为。为活塞绕活塞销中心转动的转动惯量，而为活塞绕活塞质心转动的转动惯量。 为油膜压力转矩，为油膜主阻力力矩。
方向力平衡方程：
方向力平衡方程：
活塞力矩平衡方程：
对曲轴、连杆、活塞分别进行运动学、受力分析以后，通过彼此之间的几何关系约束，作用力反作用力关系，可以消去中间量，将活塞的往复运动、连杆运动、曲轴运动均用曲轴处的表示，然后结合活塞的二阶运动，从而得到整体系统动力学。
1.2 活塞缸套系统流体动压建模
Patir Nadir和Cheng H.S在1978年提出的模型[4]，经吴承伟教授改进，含有接触因子、压力流量因子和剪切流量因子的普通雷诺方程适用于本文模型，经过必要的简化和假设，结果具体模型，可以得到活塞-缸套系统的平均流量模型雷诺方程简化为：
该方程中，所有粗糙度和接触变形对动压润滑的影响都归结于四个因素：分别为两个方向的压力流量因子以及剪切流量因子，是表面粗糙度纹向参数γ和膜厚比的函数，为接触因子，为膜厚比的函数，与粗糙度纹向参数无关。为活塞的半径;θ为活塞周向角度;为油膜的厚度，可以通过活塞的二阶运动参数来表示;为缸套轴向方向;η为润滑油的粘度;为平均流体压力;为时间;为活塞的轴向速度;为活塞的横向速度。
1.3 曲轴主轴承系统流体动压建模
上式为适合于动载径向轴承的雷诺定律，其中为油膜的厚度，可以通过曲轴的径向运动参数来表示，为油膜压力，为轴承的半径， 为曲轴主轴颈的半径，为曲轴周向角，为润滑剂的密度，η为润滑剂的粘度，为曲轴的转动速度。
油膜反力在和方向的分量为：
其中，在曲柄连杆机构的动力学模型中，所以曲轴-主轴承系统动力学与曲柄连杆机构动力学相互耦合，互相影响。
在建立曲轴活塞连杆系统动力学模型、活塞缸套流体动压模型、曲轴主轴承流体动压模型之后，系统整体模型就建立完毕。
2 数值模拟
求解方法确定。
求解雷诺方程，运用有限差分法进行差分，然后用SOR超松弛迭代法进行迭代求解，可以求得油膜压力的分布，然后在活塞表面对压力分布进行积分，得到油膜对活塞的侧向压力和摩擦阻力。
根据所建立的曲轴连杆活塞动力学模型、活塞缸套流体动压模型、曲轴主轴承流体动压模型，结合具体的发动机模型，按照所确定的算法和求解流程，进行编程求解，得到活塞二阶运动以及活塞、曲轴受的油膜力。
3 计算结果分析
3.1活塞二阶运动结果分析
通过对模型的编程求解，可以得到六组活塞的二阶运动规律及六组活塞所受的油膜侧向力以及摩擦阻力的变化情况，由于活塞的二阶运动主要受到燃爆力和惯性力的综合作用，所以六组活塞的二阶运动及受力情况变化规律基本类似，相差一定的相位角，而计算结果也说明这个趋势，所以此处重点分析其中一组活塞的二阶运动与所受油膜侧向力、摩擦阻力的变化规律。
可以看出，在发动机的工作循环过程中，活塞不仅要在缸套内做往复运动，而且要做横向的微小平动和偏摆，即大部分的时候，或者并不处于缸套的中心位置，而是处于两侧比较靠近活塞缸壁的位置，由图6可以知道，在一个周期内，活塞要经过四次换向，在70°左右的时候，活塞靠近缸套的右壁，且偏摆角为正，活塞裙部上端更接近于缸壁，在300°左右的时候，活塞靠近缸套的左壁，且偏摆角为负，所以活塞裙部的上端更接近与缸壁，在345°左右的时候，活塞的横向位移和偏摆量均达到最大，活塞在此刻迅速靠近缸套的右壁，且在短时间内快速大幅度的变向，因为此刻活塞正处于315°—495°做功冲程，活塞快速从缸套左侧接近缸套的右壁，活塞的二阶运动在此刻达到最大，横向位移的最大值为0.05mm。在570°左右的时候，活塞靠近缸套的左壁。由以上的曲线变化可以知道，活塞在整个运行过程中，更接近于右壁。
4 结束语
本文对曲轴、六组连杆活塞、主轴承、缸套整体系统进行了动力学建模，并进行数值模拟，求解得到活塞二阶运动的规律，得到对实际设计有指导意义的结果。在以后的研究中，作者将使用动力学仿真软件adams对系[第一论文网www.DYlw. NET专业提供论文和论文的服务.]统进行仿真，与数值模拟结果进行比较，验证修正模型，在后续分析中，模型将加入温度的影响因素，并考虑活塞环的影响，使模型更接近与真实情况。
【参考文献】
[1]刘延柱.高等动力学[M].北京：高等教育出版社，2000.
[2]郭磊，郝志勇，张鹏伟，刘波.活塞动力学二阶运动的仿真方法与试验研究[J].内燃机工程，2009;30(6)：41-47.
[3]张文平，李全，邹德全.活塞二阶运动过程及活塞刮擦力分析[J].哈尔滨工程大学学报，2005;26(4)：493-497.
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