一种活塞火力岸型线设计方法、系统及电子设备与流程

1.本发明涉及发动机活塞，具体涉及活塞火力岸型线设计方法、系统及电子设备。


背景技术：

2.活塞型线包括活塞火力岸型线、活塞裙部型线和销孔型线，活塞火力岸型线设计是活塞型线设计的一部分。为使发动机运行过程中，活塞火力岸形状近似圆柱形，并且活塞头部不会敲缸、拉缸，就要考虑火力岸在工作状态的变形情况，反过来设计火力岸的冷态型线。
3.活塞是发动机中热负荷较大的零件之一，活塞工作温度沿活塞轴线方向变化较大，火力岸上端温度最高，裙部下端温度最低，并且活塞头部温度场分布也不均匀，所以受热后火力岸沿轴向和周向膨胀量都不同。
4.目前，火力岸的主流设计是冷机时火力岸最上方的直径缩减量大于火力岸最下方的直径缩减量，火力岸最下方的直径缩减量大于裙部基本径的直径缩减量，并且通过设计火力岸的椭圆度来调整火力岸沿周向变形的失圆。由于活塞工作的边界条件复杂，受热机耦合综合作用，用解析法计算工作状态下火力岸的准确变形，投入成本高，计算精度低。目前大多根据经验和通过对标数据库对活塞火力岸型线进行设计，并且大多是只考虑了活塞热负荷对火力岸型线设计的影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种活塞火力岸型线设计方法、系统及电子设备，通过解析法计算得到火力岸在工作状态的变形情况，并在保证计算精度的同时，高效地设计出性能良好的活塞火力岸冷态型线，防止活塞头部敲缸、拉缸和磨损。
6.本发明所述的活塞火力岸型线设计方法，其包括如下步骤：
7.s1，进行活塞温度场分析和活塞自由膨胀分析，获取活塞火力岸外圆面的热膨胀量和活塞裙部基本径的热膨胀量y3；
8.s2，获取活塞在最大侧向力工况下裙部主推力侧基本径的压缩量y4和活塞在最小侧向力工况下裙部副推力侧基本径的压缩量y5；
9.s3，基于活塞偏转角，计算得到火力岸因活塞转动而发生的径向位移y6；
10.s4，根据火力岸与裙部的直径公差带确定尺寸公差链y7；
11.s5，基于s1～s4获取的数据，计算得到活塞火力岸型线的设计参数。
12.进一步，所述步骤s1具体为：建立活塞有限元模型，在最大热负荷工况下，对活塞有限元模型进行温度场分析和受热自由膨胀分析,提取活塞有限元模型受热自由膨胀后的位移结果，对位移结果进行傅里叶和反傅里叶变化，剔除刚性位移，得到活塞火力岸外圆面热膨胀量和活塞裙部基本径的热膨胀量；火力岸主推力侧最上端的热膨胀量记为y
11
，火力岸主推力侧最下端的热膨胀量记为y
21
，火力岸副推力侧最上端的热膨胀量记为y
12
，火力岸副推力侧最下端的热膨胀量记为y
22
。
13.进一步，所述步骤s2具体为：建立包括活塞、活塞销、连杆和缸套的有限元模型，根据缸压曲线和曲柄连杆机构的参数确定活塞最大侧向力和最小侧向力工况下，连杆的转角和缸压值；将连杆转过相应的角度，缸压通过面压作用在活塞顶面；活塞销中段设置一控制节点，该控制节点与活塞销中段内部节点的位移进行耦合；控制节点沿主、副推力侧的位移为活塞裙部压缩量。
14.进一步，所述步骤s3具体为：根据活塞的几何尺寸和绕销孔中心转动的角度，求得火力岸因活塞转动产生的径向位移y6，
15.其中，d为缸径，e为活塞销偏心距离，即销孔轴线与活塞轴线之间的距离，h为压缩高，即销孔中心到活塞顶面的高度，所述活塞顶面指的是火力岸上端所在平面，θ为偏转角。
16.进一步，所述步骤s3中偏转角的取值范围基于数据库所积累的信息获得。
17.进一步，所述步骤s4中尺寸公差链y7的计算式为：
18.y7＝(火力岸外径公差上限值-活塞裙部基本径公差下限值)/2。
19.进一步，所述步骤s5具体为，基于计算式求得：
20.火力岸上端最小半径缩减量y1＝max(y
11-y3+y4+y6+y7，y
21-y3+y5+y6+y7)’21.火力岸上端最小半径缩减量y2＝max(y
21-y3+y4+y6+y7，y
22-y3+y5+y6+y7)’22.其中，y
11
为火力岸主推力侧最上端的热膨胀量记，y
21
为火力岸主推力侧最下端的热膨胀量记，y
12
为火力岸副推力侧最上端的热膨胀量记为，y
22
为火力岸副推力侧最下端的热膨胀量；
23.则有：
24.火力岸上端半径缩减量设计值＝火力岸上端最小半径缩减量+余量设定值；
25.火力岸下端半径缩减量设计值＝火力岸下端最小半径缩减量+余量设定值；
26.火力岸上端半径＝半径基本值－火力岸上端半径缩减量设计值；
27.火力岸下端半径＝半径基本值－火力岸下端半径缩减量设计值；
28.所述半径基本值＝活塞裙部基本径/2；
29.所述火力岸上端半径和火力岸下端半径确定后，沿火力岸高度连接得到的斜直线，即为火力岸型线。
30.一种活塞火力岸型线设计系统，其包括：第一获取模块，用于进行活塞温度场分析和活塞自由膨胀分析，获取活塞火力岸外圆面的热膨胀量和活塞裙部基本径的热膨胀量y3；第二获取模块，用于获取活塞在最大侧向力工况下裙部主推力侧基本径的压缩量y4和活塞在最小侧向力工况下裙部副推力侧基本径的压缩量y5；第三获取模块，基于活塞偏转角，计算获取火力岸因活塞转动而发生的径向位移y6；第四获取模块，根据火力岸与裙部的直径公差带确定尺寸公差链y7；计算模块，基于第一获取模块、第二获取模块、第三获取模块、第四获取模块获取的数据，计算得到活塞火力岸型线的设计参数。
31.一种电子设备，其特征在于：所述存储器永远存储计算机程序，所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述电子设备执行如本发明所述的活塞火力岸型线设计方法。
32.本发明采用解析法能够量化活塞热负荷、活塞机械载荷和活塞的二阶运动对火力岸型线设计的贡献量，加入火力岸与裙部的直径公差链，并结合已积累的经验和数据库，简化了数值仿真方法和流程，高效的设计出性能良好的活塞火力岸型线，防止了活塞头部敲
缸、拉缸和磨损。在产品开发过程中，还可结合活塞将来应用的发动机的性能参数，进一步针对具体发动机性能和活塞结构，优化活塞火力岸型线。
附图说明
33.图1是本发明所述活塞火力岸型线设计方法的流程图；
34.图2是活塞的火力岸型线和裙部型线的示意图；
35.图3是活塞的热膨胀量的示意图；
36.图4是活塞裙部压缩量的示意图；
37.图5是活塞的偏转角的示意图；
38.图6是活塞的结构示意图。
39.图中，1—火力岸，2—火力岸型线，3—裙部，4—裙部型线，5—冷态活塞，6—热态活塞，7—自由状态的活塞裙部，8—压缩后的活塞裙部。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.参见图1，所示的活塞火力岸型线设计方法，包括四个影响因素，即火力岸热膨胀量、裙部挤压变形、活塞偏转角度和公差。参见图2，火力岸1最上端的直径缩减量大于火力岸最下端的直径缩减量，且火力岸型线2为倾斜的线段。火力岸1最下端的直径缩减量大于裙部3基本径的直径缩减量，裙部型线4呈椭圆形。所述设计方法具体包括如下步骤：
42.s1，进行活塞温度场分析和活塞自由膨胀分析，获取活塞火力岸外圆面的热膨胀量和活塞裙部基本径的热膨胀量y3。具体为：建立活塞有限元模型，在最大热负荷工况下，对活塞有限元模型进行温度场分析和受热自由膨胀分析，参见图3，当活塞受热时，活塞的火力岸1和裙部2会向外扩张，即由冷态活塞5向热态活塞6扩展。提取活塞有限元模型受热自由膨胀后的位移结果，对位移结果进行傅里叶和反傅里叶变化，剔除刚性位移，得到活塞火力岸外圆面热膨胀量和活塞裙部基本径的热膨胀量；火力岸主推力侧最上端的热膨胀量记为y
11
，火力岸主推力侧最下端的热膨胀量记为y
21
，火力岸副推力侧最上端的热膨胀量记为y
12
，火力岸副推力侧最下端的热膨胀量记为y
22
。
43.s2，获取活塞在最大侧向力工况下裙部主推力侧基本径的压缩量y4和活塞在最小侧向力工况下裙部副推力侧基本径的压缩量y5，参见图4，当活塞受侧向力作用时，自由状态的活塞裙部7朝压缩后的活塞裙部8压缩。具体为：建立包括活塞、活塞销、连杆和缸套的有限元模型，根据缸压曲线和曲柄连杆机构的参数确定活塞最大侧向力和最小侧向力工况下，连杆的转角和缸压值；将连杆转过相应的角度，缸压通过面压作用在活塞顶面；活塞销中段设置一控制节点，该控制节点与活塞销中段内部节点的位移进行耦合；控制节点沿主、副推力侧的位移为活塞裙部压缩量。
44.s3，基于活塞偏转角，计算得到火力岸因活塞转动而发生的径向位移y6；其中，偏转角的取值范围基于数据库所积累的信息获得。参见图5，活塞在运行过程中绕销孔中心转
动，活塞偏转角的取值范围为-20`～20`，即活塞偏转角的绝对值≤20`。
45.y6的计算式为
46.其中，d为缸径，e为活塞销偏心距离，即销孔轴线与活塞轴线之间的距离，h为压缩高，即销孔中心到活塞顶面的高度，所述活塞顶面指的是火力岸上端所在平面，θ为偏转角。
47.s4，根据火力岸与裙部的直径公差带确定尺寸公差链y7，尺寸公差链y7的计算式为：
48.y7＝(火力岸外径公差上限值-活塞裙部基本径公差下限值)/2。
49.s5，基于s1～s4获取的数据，计算得到活塞火力岸型线的设计参数。具体为，基于计算式求得：
50.火力岸上端最小半径缩减量y1＝max(y
11-y3+y4+y6+y7，y
21-y3+y5+y6+y7)’51.火力岸上端最小半径缩减量y2＝max(y
21-y3+y4+y6+y7，y
22-y3+y5+y6+y7)’52.其中，y
11
为火力岸主推力侧最上端的热膨胀量记，y
21
为火力岸主推力侧最下端的热膨胀量记，y
12
为火力岸副推力侧最上端的热膨胀量记为，y
22
为火力岸副推力侧最下端的热膨胀量；
53.则有：
54.火力岸上端半径缩减量设计值＝火力岸上端最小半径缩减量+余量设定值；
55.火力岸下端半径缩减量设计值＝火力岸下端最小半径缩减量+余量设定值；
56.火力岸上端半径＝半径基本值－火力岸上端半径缩减量设计值；
57.火力岸下端半径＝半径基本值－火力岸下端半径缩减量设计值；
58.所述半径基本值＝活塞裙部基本径/2；
59.所述火力岸上端半径和火力岸下端半径确定后，沿火力岸高度连接得到的斜直线，即为火力岸型线。
60.参见图6，以销孔水平中心下方h1的裙部外径作为活塞裙部基本径，所述活塞裙部基本径经本发明所述设计方法得到火力岸上端最小半径缩减量为0.72mm，余量设定值为
±
0.025，则火力岸上端半径d3＝78－0.72
±
0.025＝77.28
±
0.025mm。
61.火力岸下端最小半径缩减量为0.62mm，余量设定值为
±
0.025，则火力岸上端半径d4＝78－0.62
±
0.025＝77.38
±
0.025mm。
62.所述活塞裙部的第一直径d1所在平面与销孔重合，所述活塞裙部的第一直径d1所在平面与活塞裙部基本径所在平面之间的距离为h1，第一直径d1＝d0－0.024
±
0.004。
63.所述活塞裙部的第二直径d2所在平面与活塞裙部基本径所在平面之间的距离为h2，第二直径d2＝d0－0.138
±
0.004。
64.所述活塞裙部基本径所在平面与活塞顶面之间的距离为h3，所述h1＝10mm，h2＝18mm，h3＝37.5mm。压缩高h＝h3－h1＝37.5－10＝27.5mm，活塞销偏心距离e＝0.06
±
0.1
65.一种活塞火力岸型线设计系统，其包括：第一获取模块，用于进行活塞温度场分析和活塞自由膨胀分析，获取活塞火力岸外圆面的热膨胀量和活塞裙部基本径的热膨胀量y3；第二获取模块，用于获取活塞在最大侧向力工况下裙部主推力侧基本径的压缩量y4和活塞在最小侧向力工况下裙部副推力侧基本径的压缩量y5；第三获取模块，基于活塞偏转角，计算获取火力岸因活塞转动而发生的径向位移y6；第四获取模块，根据火力岸与裙部的直
径公差带确定尺寸公差链y7；计算模块，基于第一获取模块、第二获取模块、第三获取模块、第四获取模块获取的数据，计算得到活塞火力岸型线的设计参数。
66.一种电子设备，其特征在于：所述存储器永远存储计算机程序，所述处理器用于加载执行所述计算机程序，以使所述电子设备执行如本发明所述的活塞火力岸型线设计方法。
67.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。