一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及活塞冷却技术领域，尤其设及一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计 方法。
【背景技术】
[0002] 当活塞需要强制冷却时，会在活塞头部铸出冷却通道或铸入冷却油管，同时采用 某装置将机油W-定的压力注入活塞的冷却油道，使机油在其中流动W冷却活塞，该装置 即为活塞冷却喷嘴2。活塞冷却喷嘴2的多种结构参数可能对喷嘴的性能产生影响，活塞冷 却喷嘴2的性能指标主要包括总流量及打祀效率，如图1所示，通过打祀试验(模拟活塞位于 上止点时，活塞冷却喷嘴2将机油喷入活塞冷却通道的试验，用于评价活塞喷嘴是否符合设 计要求)进行检验，首先将冷却喷嘴安装在试验台1上，喷嘴的管口正对集油口 3,集油口 3接 集油管4,试验台1内有流量计可W实时监测活塞冷却喷嘴2的总流量，集油管4后有量杯可 W称量喷入活塞内冷油腔的流量，Η等于活塞位于上止位点处时活塞冷却喷嘴安装面与活 塞内冷油通道入口的距离。
[0003] 目前活塞冷却喷嘴2在设计时常基于经验确定各个结构参数，第一步，根据活塞冷 却需要，明确设计目标，也就是在指定的机油压力和机油粘度下，活塞冷却喷嘴2的总流量 为(Raim±W)L/min，且打祀效率含Saim;其中总流量是指在指定的机油压力和机油粘度下，单 位时间内从活塞冷却喷管喷出的机油量。因为加工制造误差，所W活塞冷却喷嘴2的实际总 流量不是一个固定的值，而是在一定许可范围内波动。打祀效率是指活塞位于上止点处时 (距离喷嘴最远位置），在指定的机油压力和机油粘度下，单位时间内喷入活塞内冷油道的 机油量与活塞冷却喷嘴2的总油量的百分比。第二步，根据发动机具体结构和布置空间，基 于设计经验确定活塞冷却喷嘴2的基本结构及结构参数初始值(A〇、B〇、C〇、D〇、E〇……）；第Ξ 步，跟据活塞冷却喷嘴2的具体结构，首先通过主观经验判断对活塞冷却喷嘴2的性能影响 较大的关键结构参数化ι、Κ2……）；第四步，采用CAE分析方法或试制样件做试验，调整关键 结构参数化ι、Κ2……），观察关键参数的变化对活塞冷却喷嘴2的总流量R和打祀效率S的影 响，如果影响较大，转至第五步；如果影响不大，转回第Ξ步重新选择关键结构参数;第五 步，采用"试错法"不断尝试调整关键结构参数化ι、Κ2……），在指定的机油压力Ρ bar和机油 粘度Q cst下，使活塞冷却喷嘴2的总流量R与目标值Raim相当，打祀效率^aim。
[0004] 上述方法在使用过程中具有很多缺陷，首先活塞冷却喷嘴2的结构形式多种多样， 而主观经验往往是对某些常见喷嘴结构的经验积累，对于某些结构的喷嘴可能不适用。而 且经验选择往往会忽略各结构参数间的交互作用，导致关键结构参数的选择偏离实际情 况。其次采用"试错法"调整关键结构参数，需要通过不断尝试和评价逐渐使喷嘴的总流量 达到设计目标值，运种方法难W得到最优设计方案。有可能导致无法达到设计目标；即使达 到了设计目标，活塞冷却喷嘴2的打祀效率通常还有进一步提升的空间。再者，关于打祀效 率的CAE(Computer Aided Engineering的简称，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构 强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、Ξ维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算 w及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法)分析方法较为复杂，分析时间 长。而通过试制样件进行试验验证，时间较长、成本较高。
【发明内容】
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 本发明要解决的技术问题是解决现有的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法 造成的关键结构参数选择不准确，难W达到最优设计方案，成本较高的问题。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方 法，包括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；S2,根据发动机的具体结构和布置空 间，基于设计经验确定活塞冷却喷嘴的基本结构;S3,采用析因设计方法，筛选出对活塞冷 却喷嘴性能影响显著的关键结构参数;S4，采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构 参数进行优化。
[0009] 其中，所述步骤S3具体包括S31，进行因子分析，基于设计经验确定各个结构参数 的初始值和上下限；S32,根据结构参数的数量，选择相应的二水平分式析因设计方法进行 多次打祀试验，得出每次打祀试验中喷嘴的总流量和出口油束喷射角度值;S33，根据步骤 S32的结果进行因子筛选，得到关键结构参数。
[0010] 其中，所述步骤S4具体包括S41，建立二阶响应面模型，分别得到喷嘴的总流量关 于关键结构参数的函数关系式和出口油束喷射角度关于关键结构参数的函数关系式;S42， 确定关键结构参数的初始值、边界条件和优化目标;S43,将关键结构参数代入到二阶响应 面模型，计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度;S44,判断喷嘴的总流量与目标值间的 误差是否在边界条件范围W内，若是则转到步骤S46;若不是则转到步骤S45; S45，采用合适 的优化算法，在关键结构参数的边界条件范围内，对关键结构参数进行优化，并转到步骤 S43;S46,判断出口油束喷射角度是否为最小值，若是则证明是最优方案;若不是则转到步 骤 S45。
[0011] 其中，所述S32还包括通过CAE计算出喷嘴的总流量和出口油束喷射角度。
[0012] 其中，所述S33中采用半正态概率图法进行因子筛选。
[0013] 其中，所述S41中喷嘴的总流量关于关键结构参数的函数关系式、出口油束喷射角 度关于关键结构参数的函数关系式分别为：
[0016] R为喷嘴的总流量，S为出口油束喷射角度，1(1、1(2、'''心''1(。分别为各个关键结构参 数，0O、01...0i...0m、011...0ii...0iimi、012、013...0(m-l)m、S〇、5r..5i...5m、5n...Sii...Siii]ii、Si2、5i3.·· 均为待定系数。
[0017] 其中，所述S42中的关键结构参数初始值具体为:Kio、Κ2〇···Κη···Κη〇;关键结构参数 取值范围为:Ki-含Ki含Ki+;为使活塞冷却喷嘴的总流量R达到Raim，设定边界条件具体为：
[001 引 AR= |R-Raim| <α · W
[0019] α为误差系数，且α取值范围为0.1-0.5，多数情况取0.2，W为冷却喷嘴的总流量的 允许误差，且W含0.5;为使活塞冷却喷嘴的打祀效率达到最大，优化目标具体为:最小化出 口油束喷射角度。
[0020] (立巧益效果
[0021] 本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明采用析因设计方法，对显著影响活 塞冷却喷嘴性能的关键结构参数进行筛选。析因设计能同时观察多个因子的效应，且能够 分析因子间的交互作用，对各结构参数不同水平的全部组合都能研究到。所W通过析因设 计，能够全面且充分地分析各结构参数对活塞冷却喷嘴性能的影响，保证了筛选出的关键 结构参数的正确性;采用优化设计方法，对活塞冷却喷嘴的关键结构参数进行优化。最终得 到的关键结构参数，即能够使活塞冷却喷嘴的总流量达到目标值，又能使打祀效率达到最 大值，是在当前活塞冷却喷嘴结构下能够达到设计目标的最优方案。并通过CAE计算模拟打 祀试验，计算过程中采用出口油束喷射角度值表征打祀效率，相较于直接计算打祀效率，明 显地降低了计算时间；相较于试制样件进行试验验证，提高了效率，降低了成本。
【附图说明】
[0022] 图1是现有技术中打祀试验的示意图；
[0023] 图2是本发明实施例提供的活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计流程图；
[0024] 图3是本发明实施例采用的活塞冷却喷嘴的爆炸图；
[0025] 图4是本发明实施例采用的活塞冷却喷嘴的结构示意图；
[0026] 图5是图4中M-M向视图；
[0027] 图6是活塞冷却喷嘴出口油束的速度矢量图；
[00%]图7是喷嘴的总流量的半正态概率图；
[0029] 图8是出口油束喷射角度的半正态概率图。
[0030] 图中：1:试验台；2:活塞冷却喷嘴;3:集油口； 4:集油管；10:喷嘴体;20:喷管;30: 空屯、螺栓。
【具体实施方式】
[0031] 为使本发明实施例的目的、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，所描述的实施例是 本发明的一部分实施例，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的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。
[0032] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，"多个"的含义是两个或两个W 上;术语"上"、"下"、"左"、"右"、"内"、"外"、"前端"、"后端"、"头部"、"尾部"等指示的方位 或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而 不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"、"第Ξ"等仅用于描述目的，而不能 理解为指示或暗示相对重要性。
[0033] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、 "相连"、"连接"应做广义理解，例如，可W是固定连接，也可W是可拆卸连接，或一体地连 接;可w是机械连接，也可w是电连接;可w是直接相连，也可w通过中间媒介间接相连。对 于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0034] 如图2所示，本发明实施例提供的一种活塞冷却喷嘴关键结构参数的设计方法，包 括步骤S1，根据活塞冷却需要，确定设计目标；即在指定的机油压力P bar和机油粘度Q cst 下，活塞冷却喷嘴的总流量为(Raim±W)L/min，且打祀效率>Saim。活塞冷却喷嘴的许可总流 量Raim随发动机额定功率的升高而升高，一般要求发动机所有活塞冷却喷嘴的许可总流量 达到（5~7)kg/kw · h，总流量许可误差W含0.5。打祀效率随许可总流量Raim的升高而略有降 低，一般打祀效率含70% ;S2根据发动机的具体结构和布置空间，基于设计经验确定活塞冷 却喷嘴的基本结构;本实施例W-种典型活塞冷却喷嘴为例，如图3所示，该活塞冷却喷嘴 由喷嘴体10、喷管20和空屯、螺栓30组成，喷管20通过针焊与喷嘴体10相连，空屯、螺栓30从喷 嘴体10中穿过，并通过螺纹与润滑油道连接，润滑油依次经过空屯、螺栓30、喷嘴体10和喷管 20后喷出，从而起到冷却活塞的效果;S3,采用析因设计方法