基于貝殼表面形態(tài)的內燃機活塞仿生設計

吳波，叢茜，孫天宇，劉鴻濤，田為軍

(1. 吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室和汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022； 2.長春工程學院 工程訓練中心，吉林 長春 130012； 3.長春祈健生物制品有限公司 工程維修部，吉林 長春 130012； 4.長春工程學院 水利與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130012)

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基于貝殼表面形態(tài)的內燃機活塞仿生設計

吳波1，2，叢茜1，孫天宇3，劉鴻濤4，田為軍1

(1. 吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室和汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022； 2.長春工程學院 工程訓練中心，吉林 長春 130012； 3.長春祈健生物制品有限公司 工程維修部，吉林 長春 130012； 4.長春工程學院 水利與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130012)

摘要：內燃機活塞-缸套系統(tǒng)摩擦減小對節(jié)能減排產生巨大影響。以LX-2V型汽車內燃機為試驗母體。將貝殼表面的減阻、耐磨條紋形態(tài)應用于內燃機中的主要摩擦副—活塞裙部上。制定三水平三因素正交實驗方案。在裙部最惡劣工況下，對標準活塞和9個仿生活塞模型進行有限元接觸分析，得出三個最典型試驗指標，并將其對比研究。采用極差分析法進行試驗優(yōu)化設計。最后，選取標準活塞、最優(yōu)性能仿生活塞、最優(yōu)組合活塞，進行內燃機耐久性臺架試驗。結果表明:仿生活塞在卸載活塞回油孔集中應力和減阻、耐磨性能均高于標準活塞；仿生活塞平均磨損量較標準活塞減小了42.9%；仿生活塞平均氣缸壓力變化率較標準活塞平穩(wěn)性提高了50.2%。

關鍵詞：內燃機；仿生活塞；毛蚶；正交試驗；有限元分析；極差分析法；標準活塞

汽車作為人們日常生活的代步和運輸工具，其動力之源內燃機，其燃燒總能量的15%損耗在機械運動中，而其中很大一部分損耗由摩擦引起，僅活塞-缸套系統(tǒng)摩擦副產生的摩擦功耗就高達整個內燃機摩擦損耗的50%左右[1]。本文考慮到巨大的內燃機使用量，即使將活塞-缸套系統(tǒng)的摩擦損耗降低很小幅度，也可以對減少能源消耗和改善環(huán)境產生較大影響。故將研究重點放在活塞-缸套系統(tǒng)的減阻、耐磨上。

生物界中的很多物種在經過千萬年的優(yōu)勝劣汰和進化形成了減阻的非光滑形態(tài)。很多人已經將生物體上這種減阻的非光滑形態(tài)應用于工程機械中的摩擦副表面。Walsh等[2]在NASA蘭利研究中心開始了平板溝槽湍流減阻研究，并將這種非光滑表面粘貼在飛機上，結果表明阻力減小6%～8%。Etsion等[3-4]在水泵密封環(huán)表面加工凹坑，得出最優(yōu)凹坑深徑比，將其與光滑密封環(huán)對比試驗，凹坑密封環(huán)不僅耐磨性增強而且壽命延長。楊卓娟[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)表面帶有凹坑和網(wǎng)格的軋輥耐磨性好、磨損小、壽命長。張金波等[6]將櫛孔扇貝瓣表面的棱紋形結構應用于深松鏟刃上，采用2種材料制備了4種試驗樣件，發(fā)現(xiàn)擁有3行仿生肋條型試驗樣件磨損量最小，65Mn和T10仿生試驗樣件比平板型樣件的磨損量質量分別減小了17%～30%和13%～24%。

本文以LX-2V型汽車內燃機為試驗母體。將貝殼表面的減阻、耐磨條紋形態(tài)應用于內燃機中的主要摩擦副——活塞裙部上，以起到使活塞減磨、增潤、延壽的作用。

1標準活塞動力學分析

本文中的LX-2V型汽車內燃機，為直列四缸、排量1.6 L、曲軸最大轉速6000r/min、氣缸點火順序1- 3 -2- 4。

1.1活塞動力學分析

對活塞進行受力分析[7-9](如圖1)，為后文中活塞有限元分析做鋪墊，現(xiàn)將活塞受到的各個力均轉換成與曲軸轉角相關的變量。

圖1　活塞受力分析Fig.1　Force analysis of piston

活塞在氣缸中的位移、速度及加速度，方程為

(1)

(2)

(3)

式中：r為曲軸半徑；ω為曲軸轉速；θ為曲軸轉角；C=EP+rsinθ，Ep為活塞銷偏心距；l為連桿長度。

活塞往復慣性力為

式中：mpis為活塞質量。

連桿與活塞軸向中心線夾角為

作用于活塞上的力和力矩平衡方程如下：

(4)

(5)

(6)

式中：Fgas為氣缸頂部燃氣壓力，F(xiàn)f、Mf為活塞裙部所受摩擦力和摩擦力矩，F(xiàn)L為連桿對活塞的支反力，F(xiàn)、M為活塞裙部所受法向力和其產生的力矩，a為活塞裙部頂端距離銷中心線的軸向長度，b為活塞裙部頂端距離活塞質心的軸向長度，Eg為活塞質心與銷中心的徑向距離。

1.2活塞應力應變特性研究

本文首先對標準活塞進行應力、應變分析，以便根據(jù)裙部不同區(qū)域的載荷和潤滑條件合理設計仿生活塞條紋形態(tài)、尺寸和分布方式。由于活塞在氣缸內往復運動同時徑向存在二階擺動，故在最大曲軸轉速的情況下，設曲軸轉角在0°時為進氣沖程起始，曲軸轉角為390°時活塞主推力面與缸套最貼近[10]。為了分析過程準確、簡便，首先對標準活塞受力模型進行簡化，計算出活塞在曲軸轉速為6 000 r/min轉角為390°時刻，活塞頂部壓力、活塞慣性力、裙部表面?zhèn)葔毫?。以此作為有限元接觸分析的邊界條件，此邊界條件為活塞裙部最惡劣的工況數(shù)據(jù)，其模擬結果具有可行性和可比性。

根據(jù)ANSYS有限元分析軟件統(tǒng)一標準活塞-缸套系統(tǒng)中各個部件材料性能參數(shù)單位，運用映射和智能劃分網(wǎng)格方法對活塞-缸套系統(tǒng)實體模型劃分網(wǎng)格(如圖2(a))。選擇Solid186單元，兩種網(wǎng)格劃分精度均選擇2。加載曲軸最大轉速下轉角為390°時刻時活塞頂部壓力、活塞慣性加速度，對活塞缸套間做接觸分析[11-12]。得出標準活塞應力云如圖2(b)、活塞裙部變形如圖2(c)(變形放大50倍顯示)。由標準活塞有限元分析結果可以看出，應力最大點在第三道活塞環(huán)槽回油孔位置。應力排布，沿活塞裙部徑向方向呈拋物線分布，活塞裙部底端變形最大。

圖2　標準活塞有限元分析結果Fig.2　Limited element analysis results of standard piston

2仿生活塞設計研究

2.1 仿生條紋尺寸確定

貝殼由強韌的天然礦化材料組成，體表排布著具有抗磨損和耐沖蝕的條紋凸脊形態(tài)。使其長期生存在湍流和泥沙中扔完好無損。本文選用貝殼類生物毛蚶，作為仿生原型，將其殼表形態(tài)應用于內燃機活塞裙部上。毛蚶成體殼長4～5 cm，殼堅厚而寬，雙殼膨凸；左殼略大于右殼。毛蚶殼表排布著條紋凸脊，脊寬度范圍1.1～1.6 mm，脊間間距范圍 0.5～0.8 mm，最窄處約 0.67 mm[12](如圖3)。由于在泥沙和水流沖蝕過程中，毛蚶體表形狀使其旋轉至流體與凸脊方向一致，故其殼表磨損過程近似于活塞裙部。本文結合試驗用活塞外形尺寸，將毛蚶體表凸脊形態(tài)尺寸按比例放大，沿活塞軸向方向加工條紋于活塞裙部，定義仿生條紋列間距范圍為8～12 mm，條紋深度范圍為0.8～1 mm,條紋寬度范圍為0.8～1 mm。

圖3　毛蚶非光滑體表Fig.3　Non-smooth surface of the Scapharca Subcrenata

2.2仿生活塞設計及有限元分析

2.2.1 仿生條紋活塞正交試驗方案制定

內燃機工作過程中，活塞在缸套內往復運動，使活塞和缸套摩擦功耗小、磨損少的最佳辦法即為潤滑油的充分供給。經研究表明，流過毛蚶表面的流體在其凸脊內會存在低速運行狀況[13]。故本文設計中，在高速運行的活塞裙部表面沿軸向方向加工條紋(詳見圖4)，而條紋內存儲的潤滑油在相對低速的狀況下被存儲下來，當潤滑油存儲到一定程度，便可以左右外溢，起到良好的潤滑效果。從而使活塞在達到減阻、耐磨目的的同時，保證了工作過程中不宜疲勞失效。

條紋以垂直豎列形式均勻分布于活塞裙部，且條紋貫穿于整個裙部即條紋長度等于裙長，列方向沿活塞圓周，行方向沿活塞軸向方向。

圖4　仿生條紋形活塞裙部示意圖Fig.4　Bionic stripe in the piston skirt

本文采用三種條紋分布類型，條紋形如圖5(a)所示；條紋間夾通孔形即條紋間夾入通孔列如圖5(b)所示，第一行孔中心線距離活塞頂端距離為24 mm，孔均布6行，行間距為5 mm；寬條紋間夾窄條紋形即條紋間夾入一淺窄條紋如圖5(c)所示。

圖5　三種類型條紋分布Fig.5　Three types of stripe distribution

本文采用三種類型的條紋深寬，條紋深度設為0.8、0.9、1 mm，條紋寬度等于條紋深度。條紋間夾通孔形條紋寬與孔直徑對應尺寸為：條紋寬(孔徑)0.8(0.5)、0.9(0.6)、1(0.7) mm。寬條紋間夾窄條紋形寬條紋與中間淺窄條紋對應尺寸為：寬條紋寬(窄條紋寬)0.8(0.5)、0.9(0.6)、1(0.7) mm，窄條紋深度等于窄條紋寬度。本文采用三種類型的條紋間距，條紋間距從活塞頂端看，以活塞徑向中心軸線為圓心，條紋行間距取8度(11個槽)、10度(9個槽)、12度(7個槽)。如圖6所示。

圖6　條紋尺寸Fig.6　Stripe size

根據(jù)上述仿生活塞設計原則，在仿生條紋形活塞的設計中采用了三個試驗因素且每個因素選擇了三個水平，因此應用三水平三因素正交表L9(33)編制模擬實驗方案[14]，如表1所示。

表1　仿生條紋形活塞模擬試驗

注:i-條紋形, j-條紋間夾通孔形, k-寬條紋間夾窄條紋形。

2.2.2 仿生條紋形活塞有限元分析

采用與標準活塞一致的邊界條件對仿生活塞進行有限單元非線性接觸分析。標準活塞應力最大位置出現(xiàn)在活塞第三道環(huán)槽的回油孔處，為了驗證仿生條紋對集中應力的卸載作用，選取回油孔處最大應力作為試驗指標之一；活塞裙部油膜厚度直接影響活塞表面的潤滑效果，裙部表面變形大小決定了

油膜均勻排布的程度和油膜厚度[15-17]，故選取活塞裙部最大變形為試驗指標之二；由于仿生條紋在一定程度上影響了仿生活塞的剛度，故仿生活塞上的最大應力均大于標準活塞，但都在鋁合金材料的許用應力范圍內且都僅稍高于標準活塞，由于活塞裙部最大應力可以直接反應裙部所受摩擦力情況，故選取裙部最大應力為試驗指標之三。仿生活塞有限元分析結果詳見圖7。

2.2.3 仿生條紋活塞試驗優(yōu)化設計

本文依據(jù)正交表的綜合可比性，利用極差分析法[15]對上述正交試驗方案結果進行分析，確定最優(yōu)水平為：條紋形、條紋深寬0.8 mm、條紋間距12°；主次因素為：條紋深寬、條紋間距、條紋分布類型。

3臺架試驗

本文中仿生活塞實際工況下的性能指標通過內燃機臺架冷試驗來驗證。對內燃機整機進行耐久性試驗，用電機帶動飛輪使活塞在缸套中做往復運動。嚴格按照內燃機臺架試驗標準制定試驗方案，磨合期20 h曲軸轉速選取怠速800 r/min，耐久性試驗700 h曲軸選取正常轉速3 200 r/min(如圖8)。

本文的研究目的是改善活塞缸套摩擦系統(tǒng)的界面潤滑條件，解決活塞缸套系統(tǒng)的摩擦磨損問題，因此在臺架試驗中，一方面要針對內燃機整機的動力性、經濟性和可靠性進行測試，觀察活塞裙部形態(tài)改進對內燃機整機工作性能的影響，本試驗通過檢測各個氣缸試驗初期和末期壓力變化率來實現(xiàn)，根據(jù)動力學分析可知氣缸壓力變化率越大，摩擦產生的機械損耗越大；另一方面要測定裙部仿生設計對活塞的結構特性及耐磨性能的影響，本試驗通過檢測活塞試驗前后的質量和試驗后活塞裙部表面粗糙度來檢驗磨損情況。

由于臺架試驗周期長，故本試驗選取標準活塞、有限單元分析中綜合性能最好的仿生活塞7、優(yōu)化設計中最優(yōu)水平活塞進行對比研究。試驗結果詳見表2和圖9。

(a)回油孔最大應力　　　　　　　(b)活塞裙部最大變形　　　　　　　(c)活塞裙部最大應力圖7　標準和仿生活塞有限元分析結果對比Fig.7　The finite element analysis results of standard and bionic pistons

圖8　臺架試驗Fig.8　Bench test

標準活塞仿生活塞7最優(yōu)活塞磨損量/g0.2000.1070.122氣缸壓力變化率/%2.82%1.39%1.42%

采用粗糙度輪廓儀檢測粗糙度，檢測位置由下至上均布于活塞裙部側表面，對裙部周向中間位置進行取樣，且仿生活塞每處檢測都對標準活塞進行對應檢測，以進行對比使檢測結果誤差達到最小?；钊谶\動過程中，分布在銷孔兩側的裙部表面均發(fā)生摩擦、磨損，但由于活塞銷孔的偏心設計，使活塞運動過程中主推力面受力更大，試驗效果更明顯，此處僅對活塞裙主推力面進行分析。將輪廓算數(shù)平均偏差作為分析依據(jù)，且指標越大表明磨損量越大，結果詳見圖9(圖中橫坐標左側為裙部底端測量值，右側為裙部頂端測量值)。

圖9　粗糙度檢測結果Fig.9　Roughness test results

4討論

根據(jù)圖7中3個試驗指標情況、試驗優(yōu)化設計結果以及內燃機臺架試驗數(shù)據(jù)對仿生活塞進行機理分析：

1)由有限元分析3個試驗指標可以看出：

所有仿生活塞的回油孔最大應力均大于標準活塞，說明仿生條紋將活塞上回油孔處的集中應力卸載分散。1、3、7、8號仿生活塞回油孔最大應力較小，說明條紋形和寬條紋間夾窄條紋形排布較條紋間夾通孔形排布有更好的卸載應力效果；凹槽深度為0.8 mm，凹槽間距為8°和12°時，回油孔處應力卸載效果最佳?；赜涂滋幍募袘?，使回油孔所在的活塞環(huán)槽成為活塞工作過程中最易疲勞失效的部位之一，仿生條紋的設計延長了活塞的疲勞壽命。

1、4、7號仿生活塞裙部最大變形較小。潤滑油膜在活塞裙部的均勻排布，直接影響了活塞的潤滑和摩擦性能。仿生活塞裙部表面的條紋加工影響的了活塞剛度，使仿生活塞裙部變形均大于標準活塞，但與標準活塞的變形差距很小。雖然仿生活塞較標準活塞裙部油膜排布均勻程度小，但仿生條紋內可以存儲潤滑油和磨屑，使活塞在運動過程中的任何位置都有充足的潤滑油供給，避免了干摩擦的發(fā)生。有效的防止了拉缸、爆缸現(xiàn)象。

4、5、7號仿生活塞裙部最大應力較小。根據(jù)活塞動力學分析可知，裙部最大應力與裙部摩擦力成正比，仿生條紋影響了活塞裙部剛度，導致仿生活塞裙部最大應力均大于標準活塞，在仿生活塞中最小凹槽深度的活塞裙部最大應力最小。仿生活塞裙部與缸套間的接觸面積均小于標準活塞，故摩擦力也相應減小。仿生條紋對活塞的輕量化作用減小了慣性力的沖擊。故仿生活塞的耐磨性能總體高于標準活塞。

2)由優(yōu)化設計結果可以看出：

最優(yōu)水平為：條紋形、條紋深寬0.8 mm、條紋間距12°。主次因素為：條紋深寬、條紋間距、條紋分布類型。由于條紋對活塞裙部剛度的影響，淺窄類和大間距條紋對裙部剛度影響更小，結構更優(yōu)化。條紋形排布較寬條紋間夾窄條紋形和條紋間夾通孔形排布，對裙部變形影響更小。與活塞運動方向一致的豎狀條紋在活塞裙部的貫穿式排布，使活塞在運動過程中受力更均勻，故其對活塞裙部的減阻、耐磨起到了主要影響作用。

3)由臺架試驗后仿生活塞與標準活塞粗糙度對比可以看出：

如圖9所示，仿生活塞7和最優(yōu)活塞的粗糙度檢測值均小于標準活塞，說明仿生活塞耐磨性高于標準活塞。標準活塞裙部低端與頂端磨損情況近似，中間部位有小幅波動，整體磨損情況較均勻，磨損最大部位為裙部中間偏上位置。由此可見，活塞底部的噴濺潤滑和第3道環(huán)槽回油孔對裙部頂端的供給潤滑，使裙部兩端潤滑油供給較充分，而裙部中間偏上位置潤滑乏力，磨損最嚴重。仿生活塞整體磨損情況由裙部低端至頂端逐漸減小，標準活塞磨損最嚴重部位于仿生活塞反而磨損最輕。沿軸向方向設計的仿生條紋內存儲了充分的潤滑油，在活塞高速運動上行過程中條紋內存儲了充分的潤滑油，活塞下行運動時條紋底部出現(xiàn)空穴，裙部乏油時潤滑油靠負壓由條紋內溢出，從而為裙部各個部位供給了充分的潤滑油，減小了摩擦、磨損和仿生活塞裙部敲缸的幾率。

5結論

1)條紋形排布仿生形態(tài)在卸載活塞回油孔集中應力方面最優(yōu)。

2)寬條紋間夾窄條紋形排布仿生形態(tài)，在卸載活塞裙部最大應力方面較最優(yōu)。

3)條紋深寬為0.8 mm時，活塞裙部在保證剛度最佳的狀態(tài)下還可以很好的卸載集中應力。

4)仿生活塞平均磨損量較標準活塞減小了42.9%，從氣缸壓力變化率來看仿生活塞平均較標準活塞平穩(wěn)性提高了50.2%。

5)仿生活塞整體綜合減阻、耐磨性能均高于標準活塞，仿生形態(tài)為活塞最為缺油、乏油的裙部中間偏上部位供給了更充分潤的滑油。

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Bionic design for internal engine piston based on shell surface form

WU Bo1, 2, CONG Qian1, SUN Tianyu3, LIU Hongtao4, TIAN Weijun2

(1. Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education and State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022,China; 2. EngineerinG Training Center，Changchun Institute of Technology, Changchun 130012,China; 3. Maintenance Department, Changchun Keygen Biological Products Co. Ltd., Changchun 130012, China; 4. Institute of Water Resources And Environmental Engineering，Changchun Institute of Technology, Changchun 130012,China)

Abstract：Considering the huge numbers of internal combustion engines in use worldwide, even a small reduction in the friction of the piston-cylinder sleeve system would greatly impact energy conservation and emission reduction. In this paper, we use the LX-2V engine as a test matrix. First, we applied drag reduction and a wear-resistant stripe pattern on a shell's surface to the main friction pair of the internal combustion engine-piston skirt. We then constructed a three-level and three-factor orthogonal test plan. Under the worst skirt conditions, we analyzed the finite element contact for the standard piston and nine bionic piston models, and obtained and compared the three most typical test indexes. We then used a range analysis method to test and optimize the design. Lastly, we selected a standard piston, a bionic piston with optimum performance, and a piston with an optimum combination on which to carry out a durability bench test of the internal combustion engine. Results show that the bionic piston performs better than the standard piston regarding the unloading of concentrated stress of the piston’s oil return hole, drag reduction, and abrasion resistance. The average abrasion loss of the bionic piston was 42.9% less than that of the standard piston. In addition, the average cylinder pressure changing rate of the bionic piston was 50.2% more stable than that of the standard piston.

Keywords：internal combustion engine; bionics piston; Scapharca Subcrenata; orthogonal test; finite element analysis; range analysis; standard piston

中圖分類號：TK413.3*3；TB17

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)02-0205-06

doi:10.11990/jheu.201410047

作者簡介：吳波(1980-)，女，講師，博士;叢茜(1963-)，女，教授，博士生導師.通信作者：叢茜，E-mail：congqian@jlu.edu.cn.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51375205)；國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51305157,51308066)；吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(20130522105JH)；吉林省高等教育學會資助項目(JGJX2015D196)；廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點實驗室開放課題.

收稿日期：2014-10-20.網(wǎng)絡出版日期：2015-12-15.

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151215.1030.010.html