hh471發(fā)動機活塞環(huán)自由形狀的有限元分析

hh471發(fā)動機活塞環(huán)自由形狀的有限元分析

活佛組是汽車最重要的運動部件之一。其結構和工作環(huán)境非常復雜，即高溫、負荷、高速運動、緩慢磨損和冷卻困難，成為汽車工具中經(jīng)常出現(xiàn)意見的部件之一。隨著汽車汽車日益先進和改進，汽車壓力和比功率不斷提高，汽車壓力和比功率不斷提高，這使得更加突出。激活組的工作條件更加差。它是提高汽車壓力的主要技術之一。作者重點討論HH468(缸徑為68)發(fā)動機擴缸為HH471(缸徑為71)后,其活塞組的活塞環(huán)配置方案是否合理.利用有限元法對HH471發(fā)動機活塞環(huán)在機械負荷和熱負荷作用下進行了模擬計算分析,發(fā)現(xiàn)改進后活塞環(huán)的機械應力、熱應力、溫度及變形均在規(guī)定值的范圍內(nèi),從而為研究活塞環(huán)的強度與磨損,分析活塞環(huán)故障提供了設計理論依據(jù).1第一氣環(huán)的自由形狀根據(jù)文獻提供的經(jīng)驗方法,利用MATLAB編制程序計算,得到了第一道氣環(huán)的自由形狀,如圖1所示.第一道氣環(huán)的自由形狀和從自由狀態(tài)收攏裝入氣缸后的形狀對比如圖2所示.按三角級數(shù)壓力分布計算的活塞環(huán)自由形狀為橢圓.從圖2中可以看出:自由形狀為橢圓的活塞環(huán)對氣缸壁的跟隨性好,保證了氣缸的密封性.2循環(huán)操作強度和安裝力2.1建立有限元模型環(huán)的工作應力即環(huán)從自由狀態(tài)收攏裝入氣缸后所產(chǎn)生的應力.為了模擬環(huán)在實際使用中的情況,作者在有限元模型建立中加入了簡化的氣缸體和活塞,并在各接觸面創(chuàng)建了接觸元,在環(huán)的開口兩端面施加了相應的張力,并且對簡化的氣缸體和活塞施加了位移約束.有限元分析計算結果如圖3所示.2.2參數(shù)設計及結果當活塞環(huán)安裝到活塞環(huán)槽中的時候,必須把它擴大到內(nèi)徑超過活塞頭部.根據(jù)經(jīng)驗把環(huán)的開口端距掰開到8d(d為活塞環(huán)徑向厚度)左右,環(huán)就能越過活塞頭部套入環(huán)槽,這樣便在環(huán)中引起與工作應力符號相反的應力,其最大值稱為套裝應力.考慮到活塞環(huán)的安裝是在常溫下進行,受力的時間又短,所以對活塞環(huán)只施加了垂直于環(huán)平面的軸向旋轉約束,同時根據(jù)套裝應力的定義,在環(huán)的開口處的兩端面施加了強制位移,使其滿足環(huán)的開口端距為8d,有限元分析計算結果如圖4所示.由文獻可知,最大工作應力加套裝應力為δmax+δ′max=3.4E/(D/d-1)2=1116MPa,而由該環(huán)參數(shù)確定的3.4E/(D/d-1)2=1120MPa.二者計算結果比較相近,可知該環(huán)結構參數(shù)選擇較合理.3循環(huán)溫度的估算3.1環(huán)的邊界放熱系數(shù)在實際工作中,活塞頂面吸收熱量的40%～50%是通過活塞環(huán)傳給氣缸的,而且活塞環(huán)的溫度、溫度場及其熱流也是活塞環(huán)損壞與磨損的主要原因之一.尤其是第一道環(huán),其工作狀態(tài)是最惡劣的.因此,本次計算分析只針對第一道活塞環(huán).參照文獻,考慮到環(huán)的斷面形狀以及環(huán)的外側面沿氣缸壁高速運動形成油膜潤滑狀態(tài)時油膜厚度的變化,采用以介質(zhì)對流傳熱和環(huán)與槽接觸時的傳熱為主要形式,其它因素列入修正系數(shù)的方法.環(huán)的邊界放熱系數(shù)主要從以下4個方面來考慮:①氣環(huán)上下側面的平均放熱系數(shù);②氣環(huán)內(nèi)側面的放熱系數(shù);③氣環(huán)外側面的平均換熱系數(shù);④介質(zhì)溫度的估算.根據(jù)經(jīng)驗公式,計算出環(huán)槽各側面上介質(zhì)的平均溫度為T上=490K,T下=439K,T內(nèi)=700K.3.2溫度對環(huán)的影響有限元分析計算結果如圖5所示.從環(huán)的溫度分布中可以看出:活塞環(huán)最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)側面上,最低溫度在外側面上,內(nèi)外側面上的溫度差較大,同時環(huán)的上下側面?zhèn)魅氲臒崃髁炕鞠嗟?因此,對環(huán)的熱變形和熱應力在設計中不應忽視.4在機械-熱負荷耦合下，活塞環(huán)的金元分析4.1接觸邊界條件根據(jù)活塞環(huán)工作時的受力情況,有限元模型中包括簡化的活塞,且在活塞環(huán)各側面施加了相應的氣體壓力.為了模擬實際情況,在活塞環(huán)內(nèi)圓周向部位進行了全部約束,在活塞環(huán)與活塞之間施加接觸邊界條件,完成接觸模擬.有限元分析計算結果如圖6所示.從計算結果可以看出:環(huán)的最大等效應力為454MPa,小于材料(60SI2MN)屈服極限(σs=1177MPa),并且最大值在環(huán)的開口對面,其計算結果符合環(huán)的受力規(guī)律.4.2最大等效應力a熱負荷下活塞環(huán)的有限元分析計算結果如圖7所示.從圖7中可以看出:環(huán)的最大等效應力為212MPa,小于材料(60SI2MN)屈服極限(σs=1177MPa),并且由于環(huán)的內(nèi)外側面上溫度差較大,最大值相應出現(xiàn)在活塞環(huán)的內(nèi)側面.4.3熱應力與機械負荷的等效應力對比有限元分析采用的計算模型與機械負荷所采用的計算模型相同.有限元分析計算結果如圖8所示.從圖8中可以看出:由于疊加了熱應力,最大等效應力(533MPa)比機械負荷下(454MPa)的等效應力增加了79MPa.5橢圓環(huán)的結構1)從活塞環(huán)的自由形狀和從自由狀態(tài)收攏裝入氣缸后的形狀對比分析結果得知,擴缸后該橢圓環(huán)對氣缸壁的跟隨性良好,