活塞摩擦与敲击特性关键影响参数的优化研究

杨 靖，吴 杰，张 勇，陶文祝，范相彬，解 鹏

(1.重庆理工大学 车辆工程学院，重庆 400054；2.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

0 概述

提升发动机的综合性能一直以来都是车用发动机研究的热点。活塞是发动机中工作条件最严酷的部件，受高温气体作用力，在气缸中做轴向往复运动。活塞组件工作过程会相互摩擦，其摩擦损失占发动机总摩擦损失的50%～68%，而发动机摩擦损失每降低10%，燃油经济性可提高3%～5%，动力性也相应提高[1-2]。活塞工作时除了轴向往复运动，还会沿径向运动和绕销轴转动，这被称为活塞的二阶运动[3]。活塞二阶运动会对气缸套进行周期性敲击，若敲击能量过大，将加剧活塞磨损，影响发动机的综合性能。因此减小活塞组件摩擦损失，改善活塞的敲击有益于发动机综合性能提升。

本文中从某小型汽油机存在的早期磨损现象入手，首先研究了活塞型线、配缸间隙、活塞销和曲轴偏置对活塞摩擦与敲击特性的影响规律，再运用响应面法，以活塞型线、配缸间隙、活塞销和曲轴偏置为优化变量，以最低敲击能峰值和最低摩擦损失为优化目标进行最优参数匹配研究。最终通过试验验证了优化后的参数匹配使活塞早期磨损得到改善，使发动机机械效率提高，动力性与经济性均提升。本研究为活塞组结构参数设计提供了技术指导，同时也为发动机综合性能提升提供了技术路径。

1 活塞动力学模型的建立与标定

1.1 活塞动力学模型

图1为活塞工作过程中，作用在活塞上的力与力矩示意图。……