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某柴油发动机活塞窜气量大查因及其影响参数分析
2024年4月9日发(作者：务虎)
·54·
内燃机与配件
某柴油发动机活塞窜气量大查因及其影响参数分析
安颖曰薛加曰高帅
（湖南科技大学，湘潭411201）
摘要院针对某柴油机型测试表现的窜气量大的问题，对发动机进行了拆解分析、查因及鱼骨图思路排查；为深入分析影响漏气的
环切向弹力及环槽尺寸等多个影响因素的重要度进行了分析，并详细分析了
主要因素，采用虚拟正交试验分析方法，将环开口间隙、
通过试验测试验证了新型活塞环组结构对改善发动机窜气量大的问题的有效性。
各参数的对漏气量的影响机理，
窜气通道；
关键词院活塞环；窜气量；环开口间隙
中图分类号院TK428文献标识码院A文章编号院1674-957X（2021）08-0054-06
0引言
（
Blow_by）发动机活塞窜气量是发动机运行过程中的
曲轴
关键参数
[1]
。窜气量大不仅可以导致发动机功率降低、
箱压力过高、机油消耗增加、加速机油变质、破坏油膜，严
重时会导致拉缸、抱轴等故障。造成窜气量大的原因有很
如：
多，根据窜气通道区分，主要有以下三类，淤活塞环、活
塞及缸套之间的封气通道失效；于增压器窜气；盂油气分
离器窜气。根据某发动机企业的故障信息统计情况来看，
主要涉及的
窜气量大的故障，大多数为第一类失效模式，
原因见图1所示。
表1发动机主要参数
项目Items
发动机型式EngineType
缸径伊行程Bore伊Stroke（mm伊mm）
压缩比Compressionratio
排量Displacement/L
额定功率/转速RatedPower/Speed
平均有效压力（kPa）
供油提前角AdvanceAngle
参数Parameters
单缸机
75伊80
20.1
0.353
2600
576.6
23-25毅CA
图2窜气故障机型漏气量测试数据
图1漏气量大故障分析鱼骨图
针对某型号柴油机所出现的窜气量大问题如图2所
在失效模式分析的基础上，对活塞环组结构及参数对
示，
并进行了相应的改进及装
漏气量的影响开展了深入分析，
机测试验证。
1故障情况
某小型柴油机，其具体参数如表1所示。
从漏气量测试数据来看，该发动机的最大活塞窜气量
最大为4.2L/min，远远超过设计要求2.2L/min，在发动机额
也超过漏气
定转速2600rpm附近，其漏气量为2.91L/min，
量目标值的32%。（
图
2）
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
基金项目院湖南省重点研发计划项目（2016GK2006）一种新型活
塞环关键技术研发及测试。
（
1980-）
湖南科技大学，机电工
作者简介院安颖，女，湖南长沙人，
研究方向为
程学院，工程师，车辆工程专业工学博士，
薛加（
1994-）
江苏沭
车辆传动系统及其控制理论；，男，
阳人，湖南科技大学，在读硕士，研究方向为电液控制
系统。
2原因分析
为查找窜气量增大的原因，首先查看试验过程记录，
试验记录中缸内压强数据始终处于设计范围内，无异常燃
无
烧情况。对被测发动机进行拆解后检查活塞安装正确、
并口的问题，且无异常磨损痕迹。为进一步排除其它部件
缸体、活塞互
问题，进一步进行了零部件匹配互换，缸盖、
初步分析是
换等排查，最终故障零件锁定为活塞环组件，
由于主要漏气通道的尺寸参数存在问题。根据以上排查，
样件质量、装配和环境均无异常，重点怀疑为活塞环及其
导致活塞窜气量大。
配合参数不合理，
3活塞环组漏气因素分析
多位学者曾研究分析了活塞环组结构及参数对窜气
量的影响。其中，郝志勇等采用数值仿真与正交设计相结
合的方法，通过调整活塞环开口间隙位置、合理分配环岸
压力有效降低了窜气量
[2]
；雷基林等建立了活塞环组的动
经由各间隙的
力学模型，研究了在活塞环组运行过程中，
窜气量，结果表明窜气量与一环、二环的间隙具有显著的
线性关系
[3]
；分析活塞环及活塞的运动特性，
并通过迭代法计算了曲轴旋转720毅过程中的机油耗和窜
气量
[4]
。上述多位学者的研究表明了活塞环结构及其设计
InternalCombustionEngine&Parts
参数对窜气量具有显著影响。
3.1活塞环组动力学模型建立及其验证
建立活
该发动机的活塞环组动力学模型如图3所示，
活塞销、连杆、
塞环组动力学模型，模型中包括活塞、气缸
并
衬套、活塞环组（包括一环、二环以及弹簧内撑式油环）。
对该模型进行如下假设：淤仅考虑在主推力面和次推力面
所构成的平面内的活塞运动；于仅考虑发动机额定转速工
况，即忽略转速不均匀对活塞环组的影响；盂采用有限元
缩减模型法建立活塞、衬套的弹性体模型，而连杆、曲轴、活
并忽略各铰连接的间隙。
塞销和轴承均采用刚性体单元环，
·55·
（a）活塞热态轮廓
图3活塞环组动力学模型
为充分考虑活塞、活塞环及衬套的热态，首先以测量
得到的活塞温度场
（如表
2所示）作为热载荷，
并根据材料
热膨胀系数，计算衬套及活塞的热态轮廓，
如图
4所示。
表2活塞及衬套温度测量值渊硬度塞测温法冤
测温点温度益
1
2
中央
325
燃烧室
3
推力侧
327
4
反推力侧
287
5
前窗侧
后窗侧
339
6
335
7
推力侧
302
火力岸
8
反推力侧
280
9
前窗侧
后窗侧
334
前窗侧
336
内销座上端
11
10
后窗侧
289
衬套
1210mm
265
1340mm
170
1460mm
110
80
3.2模型的验证
为验证所建立的活塞环组动力学模型，采用试验对比
分析法，使用测试用发动机相关尺寸数据，使用该模型进
行漏气量计算。得到其额定转速
2.78L/min
2600rpm
4.7%
。对比图2中漏气量测试数据，两者之间相差为
下漏气量为
析测试漏气量偏大的原因可能是由于机油油雾混入所导
；该偏差表明计算模型可以用于指导开展优化设计。分
致的测试数据偏差。
（b）衬套热态轮廓
图4活塞及衬套热态轮廓
4活塞参数影响试验设计分析
4.1漏气量影响因素正交试验分析
活塞环组漏气通道主要有三个，
如图
5所示。
淤
图5活塞环窜气通道
于
活塞环与环槽所形成侧隙和背隙；
盂
活塞环外圆面与缸套内表面之间；
通过对漏气通道的分析可以看出，
活塞环开口间隙。
活塞环安装后的开
口间隙、活塞环安装弹力、活塞配缸间隙、活塞环侧隙及背
隙是漏气和机油消耗的主要通道，因此重点考虑上述因素
对漏气量的影响，
分别对上述参数取三参数水平，
所设计
的正交试验表见表3所示。其中：啄
1
、啄
二环
开口间隙；F、F
2
分别为一环、
12
分别为一环、二环切线弹力；Dp
1
、Dp
别为环槽一、环槽二的槽深度；Sc
1
、Sc
2
分别为一环、
二环
2
分
的侧隙。
分别对表中27个虚拟试验进行计算，根据漏气量响
应计算各因素作用下的漏气量响应极差，得到
Sc
啄
1
，啄
2
，Sc
1
，
2
，Dp
1
，F
响较大的
2
为对漏气量影响较大的因素。为进一步分析影
5个关键因素对漏气量的影响趋势及影响机理，
针对5个关键因素开展进一步虚拟试验分析。（表4）
对漏气量响应与5个关键参数与漏气量响应之间
的关系进行二阶次多项式拟合，
得到其交互二阶回归模
·56·
内燃机与配件
表3漏气量正交试验设计表
1
2
3
…
25
26
27
0.175
0.35
0.525
…
0.175
0.35
0.525
啄
1
啄
1
0.275
0.45
0.625
…
0.625
0.275
0.45
啄
2
0.275
0.45
0.625
…
0.625
0.275
0.45
1.4E-04
1.6E-04
1.8E-04
3.7E-05
啄
2
6
12
18
…
12
18
6
F
1
5
11
17
…
11
17
5
Dp
1
-5.475
-4.2625
-3.05
…
-3.05
-5.475
-4.2625
1.8E-04
1.8E-04
1.5E-04
2.3E-05
F
2
-0.375
-0.25
-0.125
…
-0.375
-0.25
-0.125
Sc
2
0.03
0.06
0.09
…
0.06
0.09
0.03
1.5E-04
1.7E-04
1.7E-04
2.0E-05
C
1
-5.475
-3.65
-1.825
…
-1.825
-5.475
-3.65
Dp
1
-6.15
-4.1
-2.05
…
-2.05
-6.15
-4.1
F
2
Dp
2
0.04
0.08
0.12
…
0.08
0.12
0.04
Sc
1
0.03
0.06
0.09
…
0.03
0.06
0.09
Sc
2
表4关键影响因素漏气量正交试验设计表
漏气量均值
8.921728E-06
2.092534E-05
3.253170E-05
…
7.905494E-06
2.124322E-05
2.506619E-05
（m
3
/s）
（mm）（N）
5
11
17
…
11
17
5
1.6E-04
1.6E-04
1.8E-04
1.7E-05
1
2
3
…
25
26
27
K1
K2
K3
R
0.175
0.35
0.525
…
0.175
0.35
0.525
7.6E-05
1.7E-04
2.4E-04
1.7E-04
得到不同开
0.175mm、0.25mm、0.35mm、0.45mm、0.525mm，
口间隙条件下漏气量随曲轴转角的变化曲线如图6所示。
随着开口间隙的增大，漏气量明显呈现增大的趋势，漏气
量均值分别为0.488L/min、0.762L/min、1.24L/min、1.65
L/min和2.27L/min，漏气量增大了4倍。
根据相关文献[5]推荐，自然吸气柴油机漏气量限值的
-6
b=9.6伊10
；
经验计算公式为：
K=[85.70.4-1.16.2-55.038.4-0.1-6.412.62.05.6
Q=0.0021·L·n
-6
0.80.03.7-10.3]伊10
式中蕴为发动机排量；灶为发动机转速。
K=[85.70.4-1.16.2-55.038.4-0.1-6.412.62.05.60.80.03.7
该限值比《汽车发动机定型试验规程》所规定的“12
-6
-10.3]伊10
；
更加严格，
倍排量”这符合发动机技术进步及环保要求提
2
对模型进行显著性检验，利用测定系数R和校正测
升的趋势。根据该推荐公式，
本文所研究柴油机设计目标
定系数R
a
来评估模型的逼近程度，这两个系数分别为
的漏气量限值为2.2L/min，可见随着活塞环开口间隙增大
0.975和0.934，其弃真概率p=6.897e-6。这说明回归模型
到0.55mm时，漏气量已超过推荐漏气量限值。
与仿真结果具有较高的相关性，即实验数据的变异可以用
观察随曲轴转角变化的整个漏气量曲线，可以看出当
计算得到的回归模型来解释。对各参数对漏气量响应的线
一环开口啄
1
约0.35mm时，漏气量曲线呈现单峰值特性；但
从
T检验结果表中可以看出，
与漏
是当一环开口啄
1
=0.45mm时，漏气量曲线呈现低峰值、
性显著性进行T检验，
多
气量响应关系线性显著的变量为啄（、啄（
1
p=2.37e-12）
2
p=
即使在压缩冲程由于活塞
峰特性，这表明不仅做功冲程，
0.0053）、Dp
（）及Sc（，这四个变量对漏气
环开口间隙的增加也导致了较为明显的漏气，
1
p=0.051
2
p=0.139）
并因此使得
对漏气量的影响相对
做功冲程的漏气量峰值点降低且时间延后。
量的影响较为显著；而F（
2
p=0.772）
较小。尤其是一环间隙与漏气量之间表现了较为显著的线
观察第二环岸的气体压力可以明显看出，漏气量增大
性特征。以上关键变量与漏气量的曲面响应图如图6所示。
导致第二环岸的气体压力增加，
也因此由于一环上下气体
从曲面响应图中可以看出漏气量随着一环与二环开
压力差值的减小，
如图
9所示。
在做功冲
导致一环的悬浮，
口间隙的增大而增大。这是由于一环和二环是作为气体的
程的活塞环悬浮，进一步加大了漏气通道1的漏气，因此
其主要作用就是阻止气体下行，开口间隙增
从图中也以看到漏气量的大幅度增加。
主要密封环，
（图
7、图8）
引起了漏气量的变化。
大了气体下行的流通通道，
4.3二环开口间隙对漏气量影响分析
4.2一环开口间隙对漏气量影响分析
在一环开口不变的前提下，调整二环开口间隙，从漏
为进一步分析一环开口间隙对漏气量的影响及其机
气量的变化中可以看出，漏气量随着二环开口间隙的增
理，在其它参数不变的条件下，分别对一环开口间隙取
大，漏气量也随之逐步增大，其平均漏气量也从0.25mm
型为：
InternalCombustionEngine&Parts
·57·
（a）一环开口———二环开口
（b）一环开口———一环槽深
（c）一环开口———二环侧隙
（d）二环开口———一环槽深
（e）二环开口———二环侧隙（f）一环槽深———二环侧隙
图6关键参数对漏气量影响的曲面响应图
二环间隙时的1.06L/min增加到0.65mm二环间隙时的
其对漏气量
1.25L/min，其漏气量增大了18%。由此可见，
二
的影响远远小于一环开口间隙对漏气量的影响。另外，
环岸的气压值随着二环开口间隙的增大而减小，这主要是
因为经由一环下行到第二环岸的气体，在较大的二环开口
间隙下，可以有效下行，而当二环开口间隙较小的时候无
法形成有效的下行通道，由此导致二环岸的气压值增大。
（图10、图11）
4.4一环环槽深度对漏气量的影响
在正交虚拟试验结果中，可以看出一环的环槽深度可
以很大程度上影响漏气量，这主要是影响漏气通道1的气
体过流面积。分别取一环的活塞环槽深为-5.5mm、-5.0mm、
一环活塞环深
-4.5mm、-4.0mm和-3.5mm，从中可以看出，
度对漏气量的影响比一环和二环开口间隙要小很多，这也
符合正交试验的回归模型。其对漏气量的影响主要是在进
气冲程内，此时由于活塞环悬浮，因此活塞环槽的深度增
在曲轴转角
加相当于加大了漏气通道1的气体过流面积，
300-450毅的漏气量局部放大图如图12所示，而且此过程
基本不影响发动机的环保性能。
中的漏气主要以空气为主，
5虚拟试验研究结论
通过对虚拟试验结果的分析表明：
而
淤一环、二环开口间隙对漏气量的影响最为显著，
·58·
图7一环开口间隙对漏气量的影响
图8一环开口间隙对二环岸气压的影响
图9一环开口间隙对活塞环相对位置的影响
图10二环开口间隙对漏气量的影响
内燃机与配件
图11二环开口间隙对二环岸气压的影响
（a）一环环槽深度对漏气量的影响
（b）一环环槽深度对漏气量的影响
（局部放大图）
图12一环环槽深度对漏气量的影响
其它参与试验的因素对漏气量的影响与一环、二环开口间
隙相比较小；
0.175mm
于第一环岸间隙对漏气量的影响最大，其间隙值从
隙从0.25mm
增大到
增大到
0.55mm
0.55mm
，漏气量增加高达
，漏气量增加约
4倍；
17.5%
而二环间
。同时
分析显示，一环和二环间隙需要彼此结合考虑才能发挥更
好的效果，如果经由一环下行的气体在二环处被过多节
流，则会导致一环在一个周期内两次悬浮，
不利于活塞环
与环槽的配合，甚至导致异常的磨损。
从分析数据来看，活
InternalCombustionEngine&Parts
·59·
新能源悬置系统二级隔振分析
夏永文曰罗春根曰曹倩倩
（上汽商用车技术中心，上海200438）
摘要院新能源汽车主要采用电机驱动，相对传统汽车而言，高阶激励更加突出。本文通过在传统悬置系统件的基础上，增加二级橡
胶隔振，并分析其对高频振动隔振的影响，解决由高频振动导致的啸叫问题。
高频隔振；
关键词院二级隔振；啸叫；电机悬置
中图分类号院U461.56文献标识码院A文章编号院1674-957X（2021）08-0059-03
0引言
悬置系统是动力总成振动传递路径过程中最重要的
减振件之一，直接影响动力总成振动传递及车内的舒适
悬置件可以通过增加二级
性。新能源电机啸叫问题突出，
隔振衬套，解决高频啸叫问题。
1新能源电机啸叫特点
如图1所示，传统的发动机振动激励主要集中在
1000Hz以内，阶次主要为2/4/6/8阶（如图1所示）；相对于
传统的发动机，新能源电机激励主要集中在1000Hz以上，
阶次主要是8阶以上的高阶
（如图
2所示）。由于人耳对
因此各新能源车型很
1000-4000Hz频段的声音非常敏感，
容易出现高频啸叫问题。
图1新能源电机主动侧激励频谱图
当前各大汽车厂一方面通过齿轮
针对电机高频啸叫，
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
轴系分布、壳体模态优化等措施降低电机
工艺、齿轮修型、
（
1985原）
工程师，硕士研究生，
作者简介院夏永文，男，上海人，研
从源头上优化啸叫问题。
激励源高频振动，
究方向为动力总成悬置。
但是过小的活塞环在热膨胀
塞环开口越小则漏气量越小，
条件下又容易导致顶口的危险，因此一般采用2-3mm作
为其开口间隙值。
其平均漏气
盂环槽深度对总漏气量的影响十分有限，
量随着环槽深度的改变仅变化4.0%。从上述分析中可以
看出，活塞环、活塞及衬套之间的配合尺寸应重点细化设
计，尽可能减小窜气通道。另活塞窜气量作为整机系统参
要根据实际情况，进行全面
数，影响因素很多，发生问题时，
确定故障零件，
排查，首先找到故障源头，再进行有效改进。
6改进参数测试验证
为验证虚拟试验分析结论，采用试验分析得到的最佳
参数组合与原方案进行对比，重新装配2台发动机（发动
。对窜气量进
机参数调整如表5所示）在完成磨合试验后，
得到窜气量试验结果如图
13所示。行测试验证，
表5参数改进
项目
一环开口间隙
二环开口
一环槽深
原方案
4.5mm
5.5mm
0.1mm
改进方案
2mm
3mm
0.08mm
备注
减小漏气通道
图13改进后窜气量数据
2018，34（05）：54-62.
[2]王树青，吴国栋，郭金宝，等.活塞环动力学数值模拟计算
及试验研究[J].内燃机与动力装置，2008.
[3]于彩侠.内燃机活塞环岸区域润滑油输送机理研究[D].合
肥工业大学，2013.
[4]郝志勇，丁加岑，朱君亮，等.活塞环开口位置对窜气特性
影响的研究[J].北京理工大学学报，2016，36（3）：258-263.
[5]王兆
煖
.缸套粗糙度对柴油机运行性能的若干影响[J].柴油
机设计与制造，1998，4.
[6]杨连声.内燃机设计[M].中国农业机械出版社，1981：225.
[7]郝志勇，丁加岑，朱君亮，等.活塞环开口位置对窜气特性
影响的研究[J].北京理工大学学报，2016，36（3）：258-263.
从图13中可以看出发动机的窜气量得到了明显改
卡滞等故障。改进后活
善。拆机检测，活塞环无异常磨损、
塞环已经设计定型。
参考文献院
[1]雷基林，张大帅，邓晰文，毕玉华，周峰，杨永忠.活塞环组
结构参数对柴油机漏气量和机油消耗的影响[J].农业工程学报，
2024年4月9日发(作者：务虎)
·54·
内燃机与配件
某柴油发动机活塞窜气量大查因及其影响参数分析
安颖曰薛加曰高帅
（湖南科技大学，湘潭411201）
摘要院针对某柴油机型测试表现的窜气量大的问题，对发动机进行了拆解分析、查因及鱼骨图思路排查；为深入分析影响漏气的
环切向弹力及环槽尺寸等多个影响因素的重要度进行了分析，并详细分析了
主要因素，采用虚拟正交试验分析方法，将环开口间隙、
通过试验测试验证了新型活塞环组结构对改善发动机窜气量大的问题的有效性。
各参数的对漏气量的影响机理，
窜气通道；
关键词院活塞环；窜气量；环开口间隙
中图分类号院TK428文献标识码院A文章编号院1674-957X（2021）08-0054-06
0引言
（
Blow_by）发动机活塞窜气量是发动机运行过程中的
曲轴
关键参数
[1]
。窜气量大不仅可以导致发动机功率降低、
箱压力过高、机油消耗增加、加速机油变质、破坏油膜，严
重时会导致拉缸、抱轴等故障。造成窜气量大的原因有很
如：
多，根据窜气通道区分，主要有以下三类，淤活塞环、活
塞及缸套之间的封气通道失效；于增压器窜气；盂油气分
离器窜气。根据某发动机企业的故障信息统计情况来看，
主要涉及的
窜气量大的故障，大多数为第一类失效模式，
原因见图1所示。
表1发动机主要参数
项目Items
发动机型式EngineType
缸径伊行程Bore伊Stroke（mm伊mm）
压缩比Compressionratio
排量Displacement/L
额定功率/转速RatedPower/Speed
平均有效压力（kPa）
供油提前角AdvanceAngle
参数Parameters
单缸机
75伊80
20.1
0.353
2600
576.6
23-25毅CA
图2窜气故障机型漏气量测试数据
图1漏气量大故障分析鱼骨图
针对某型号柴油机所出现的窜气量大问题如图2所
在失效模式分析的基础上，对活塞环组结构及参数对
示，
并进行了相应的改进及装
漏气量的影响开展了深入分析，
机测试验证。
1故障情况
某小型柴油机，其具体参数如表1所示。
从漏气量测试数据来看，该发动机的最大活塞窜气量
最大为4.2L/min，远远超过设计要求2.2L/min，在发动机额
也超过漏气
定转速2600rpm附近，其漏气量为2.91L/min，
量目标值的32%。（
图
2）
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
基金项目院湖南省重点研发计划项目（2016GK2006）一种新型活
塞环关键技术研发及测试。
（
1980-）
湖南科技大学，机电工
作者简介院安颖，女，湖南长沙人，
研究方向为
程学院，工程师，车辆工程专业工学博士，
薛加（
1994-）
江苏沭
车辆传动系统及其控制理论；，男，
阳人，湖南科技大学，在读硕士，研究方向为电液控制
系统。
2原因分析
为查找窜气量增大的原因，首先查看试验过程记录，
试验记录中缸内压强数据始终处于设计范围内，无异常燃
无
烧情况。对被测发动机进行拆解后检查活塞安装正确、
并口的问题，且无异常磨损痕迹。为进一步排除其它部件
缸体、活塞互
问题，进一步进行了零部件匹配互换，缸盖、
初步分析是
换等排查，最终故障零件锁定为活塞环组件，
由于主要漏气通道的尺寸参数存在问题。根据以上排查，
样件质量、装配和环境均无异常，重点怀疑为活塞环及其
导致活塞窜气量大。
配合参数不合理，
3活塞环组漏气因素分析
多位学者曾研究分析了活塞环组结构及参数对窜气
量的影响。其中，郝志勇等采用数值仿真与正交设计相结
合的方法，通过调整活塞环开口间隙位置、合理分配环岸
压力有效降低了窜气量
[2]
；雷基林等建立了活塞环组的动
经由各间隙的
力学模型，研究了在活塞环组运行过程中，
窜气量，结果表明窜气量与一环、二环的间隙具有显著的
线性关系
[3]
；分析活塞环及活塞的运动特性，
并通过迭代法计算了曲轴旋转720毅过程中的机油耗和窜
气量
[4]
。上述多位学者的研究表明了活塞环结构及其设计
InternalCombustionEngine&Parts
参数对窜气量具有显著影响。
3.1活塞环组动力学模型建立及其验证
建立活
该发动机的活塞环组动力学模型如图3所示，
活塞销、连杆、
塞环组动力学模型，模型中包括活塞、气缸
并
衬套、活塞环组（包括一环、二环以及弹簧内撑式油环）。
对该模型进行如下假设：淤仅考虑在主推力面和次推力面
所构成的平面内的活塞运动；于仅考虑发动机额定转速工
况，即忽略转速不均匀对活塞环组的影响；盂采用有限元
缩减模型法建立活塞、衬套的弹性体模型，而连杆、曲轴、活
并忽略各铰连接的间隙。
塞销和轴承均采用刚性体单元环，
·55·
（a）活塞热态轮廓
图3活塞环组动力学模型
为充分考虑活塞、活塞环及衬套的热态，首先以测量
得到的活塞温度场
（如表
2所示）作为热载荷，
并根据材料
热膨胀系数，计算衬套及活塞的热态轮廓，
如图
4所示。
表2活塞及衬套温度测量值渊硬度塞测温法冤
测温点温度益
1
2
中央
325
燃烧室
3
推力侧
327
4
反推力侧
287
5
前窗侧
后窗侧
339
6
335
7
推力侧
302
火力岸
8
反推力侧
280
9
前窗侧
后窗侧
334
前窗侧
336
内销座上端
11
10
后窗侧
289
衬套
1210mm
265
1340mm
170
1460mm
110
80
3.2模型的验证
为验证所建立的活塞环组动力学模型，采用试验对比
分析法，使用测试用发动机相关尺寸数据，使用该模型进
行漏气量计算。得到其额定转速
2.78L/min
2600rpm
4.7%
。对比图2中漏气量测试数据，两者之间相差为
下漏气量为
析测试漏气量偏大的原因可能是由于机油油雾混入所导
；该偏差表明计算模型可以用于指导开展优化设计。分
致的测试数据偏差。
（b）衬套热态轮廓
图4活塞及衬套热态轮廓
4活塞参数影响试验设计分析
4.1漏气量影响因素正交试验分析
活塞环组漏气通道主要有三个，
如图
5所示。
淤
图5活塞环窜气通道
于
活塞环与环槽所形成侧隙和背隙；
盂
活塞环外圆面与缸套内表面之间；
通过对漏气通道的分析可以看出，
活塞环开口间隙。
活塞环安装后的开
口间隙、活塞环安装弹力、活塞配缸间隙、活塞环侧隙及背
隙是漏气和机油消耗的主要通道，因此重点考虑上述因素
对漏气量的影响，
分别对上述参数取三参数水平，
所设计
的正交试验表见表3所示。其中：啄
1
、啄
二环
开口间隙；F、F
2
分别为一环、
12
分别为一环、二环切线弹力；Dp
1
、Dp
别为环槽一、环槽二的槽深度；Sc
1
、Sc
2
分别为一环、
二环
2
分
的侧隙。
分别对表中27个虚拟试验进行计算，根据漏气量响
应计算各因素作用下的漏气量响应极差，得到
Sc
啄
1
，啄
2
，Sc
1
，
2
，Dp
1
，F
响较大的
2
为对漏气量影响较大的因素。为进一步分析影
5个关键因素对漏气量的影响趋势及影响机理，
针对5个关键因素开展进一步虚拟试验分析。（表4）
对漏气量响应与5个关键参数与漏气量响应之间
的关系进行二阶次多项式拟合，
得到其交互二阶回归模
·56·
内燃机与配件
表3漏气量正交试验设计表
1
2
3
…
25
26
27
0.175
0.35
0.525
…
0.175
0.35
0.525
啄
1
啄
1
0.275
0.45
0.625
…
0.625
0.275
0.45
啄
2
0.275
0.45
0.625
…
0.625
0.275
0.45
1.4E-04
1.6E-04
1.8E-04
3.7E-05
啄
2
6
12
18
…
12
18
6
F
1
5
11
17
…
11
17
5
Dp
1
-5.475
-4.2625
-3.05
…
-3.05
-5.475
-4.2625
1.8E-04
1.8E-04
1.5E-04
2.3E-05
F
2
-0.375
-0.25
-0.125
…
-0.375
-0.25
-0.125
Sc
2
0.03
0.06
0.09
…
0.06
0.09
0.03
1.5E-04
1.7E-04
1.7E-04
2.0E-05
C
1
-5.475
-3.65
-1.825
…
-1.825
-5.475
-3.65
Dp
1
-6.15
-4.1
-2.05
…
-2.05
-6.15
-4.1
F
2
Dp
2
0.04
0.08
0.12
…
0.08
0.12
0.04
Sc
1
0.03
0.06
0.09
…
0.03
0.06
0.09
Sc
2
表4关键影响因素漏气量正交试验设计表
漏气量均值
8.921728E-06
2.092534E-05
3.253170E-05
…
7.905494E-06
2.124322E-05
2.506619E-05
（m
3
/s）
（mm）（N）
5
11
17
…
11
17
5
1.6E-04
1.6E-04
1.8E-04
1.7E-05
1
2
3
…
25
26
27
K1
K2
K3
R
0.175
0.35
0.525
…
0.175
0.35
0.525
7.6E-05
1.7E-04
2.4E-04
1.7E-04
得到不同开
0.175mm、0.25mm、0.35mm、0.45mm、0.525mm，
口间隙条件下漏气量随曲轴转角的变化曲线如图6所示。
随着开口间隙的增大，漏气量明显呈现增大的趋势，漏气
量均值分别为0.488L/min、0.762L/min、1.24L/min、1.65
L/min和2.27L/min，漏气量增大了4倍。
根据相关文献[5]推荐，自然吸气柴油机漏气量限值的
-6
b=9.6伊10
；
经验计算公式为：
K=[85.70.4-1.16.2-55.038.4-0.1-6.412.62.05.6
Q=0.0021·L·n
-6
0.80.03.7-10.3]伊10
式中蕴为发动机排量；灶为发动机转速。
K=[85.70.4-1.16.2-55.038.4-0.1-6.412.62.05.60.80.03.7
该限值比《汽车发动机定型试验规程》所规定的“12
-6
-10.3]伊10
；
更加严格，
倍排量”这符合发动机技术进步及环保要求提
2
对模型进行显著性检验，利用测定系数R和校正测
升的趋势。根据该推荐公式，
本文所研究柴油机设计目标
定系数R
a
来评估模型的逼近程度，这两个系数分别为
的漏气量限值为2.2L/min，可见随着活塞环开口间隙增大
0.975和0.934，其弃真概率p=6.897e-6。这说明回归模型
到0.55mm时，漏气量已超过推荐漏气量限值。
与仿真结果具有较高的相关性，即实验数据的变异可以用
观察随曲轴转角变化的整个漏气量曲线，可以看出当
计算得到的回归模型来解释。对各参数对漏气量响应的线
一环开口啄
1
约0.35mm时，漏气量曲线呈现单峰值特性；但
从
T检验结果表中可以看出，
与漏
是当一环开口啄
1
=0.45mm时，漏气量曲线呈现低峰值、
性显著性进行T检验，
多
气量响应关系线性显著的变量为啄（、啄（
1
p=2.37e-12）
2
p=
即使在压缩冲程由于活塞
峰特性，这表明不仅做功冲程，
0.0053）、Dp
（）及Sc（，这四个变量对漏气
环开口间隙的增加也导致了较为明显的漏气，
1
p=0.051
2
p=0.139）
并因此使得
对漏气量的影响相对
做功冲程的漏气量峰值点降低且时间延后。
量的影响较为显著；而F（
2
p=0.772）
较小。尤其是一环间隙与漏气量之间表现了较为显著的线
观察第二环岸的气体压力可以明显看出，漏气量增大
性特征。以上关键变量与漏气量的曲面响应图如图6所示。
导致第二环岸的气体压力增加，
也因此由于一环上下气体
从曲面响应图中可以看出漏气量随着一环与二环开
压力差值的减小，
如图
9所示。
在做功冲
导致一环的悬浮，
口间隙的增大而增大。这是由于一环和二环是作为气体的
程的活塞环悬浮，进一步加大了漏气通道1的漏气，因此
其主要作用就是阻止气体下行，开口间隙增
从图中也以看到漏气量的大幅度增加。
主要密封环，
（图
7、图8）
引起了漏气量的变化。
大了气体下行的流通通道，
4.3二环开口间隙对漏气量影响分析
4.2一环开口间隙对漏气量影响分析
在一环开口不变的前提下，调整二环开口间隙，从漏
为进一步分析一环开口间隙对漏气量的影响及其机
气量的变化中可以看出，漏气量随着二环开口间隙的增
理，在其它参数不变的条件下，分别对一环开口间隙取
大，漏气量也随之逐步增大，其平均漏气量也从0.25mm
型为：
InternalCombustionEngine&Parts
·57·
（a）一环开口———二环开口
（b）一环开口———一环槽深
（c）一环开口———二环侧隙
（d）二环开口———一环槽深
（e）二环开口———二环侧隙（f）一环槽深———二环侧隙
图6关键参数对漏气量影响的曲面响应图
二环间隙时的1.06L/min增加到0.65mm二环间隙时的
其对漏气量
1.25L/min，其漏气量增大了18%。由此可见，
二
的影响远远小于一环开口间隙对漏气量的影响。另外，
环岸的气压值随着二环开口间隙的增大而减小，这主要是
因为经由一环下行到第二环岸的气体，在较大的二环开口
间隙下，可以有效下行，而当二环开口间隙较小的时候无
法形成有效的下行通道，由此导致二环岸的气压值增大。
（图10、图11）
4.4一环环槽深度对漏气量的影响
在正交虚拟试验结果中，可以看出一环的环槽深度可
以很大程度上影响漏气量，这主要是影响漏气通道1的气
体过流面积。分别取一环的活塞环槽深为-5.5mm、-5.0mm、
一环活塞环深
-4.5mm、-4.0mm和-3.5mm，从中可以看出，
度对漏气量的影响比一环和二环开口间隙要小很多，这也
符合正交试验的回归模型。其对漏气量的影响主要是在进
气冲程内，此时由于活塞环悬浮，因此活塞环槽的深度增
在曲轴转角
加相当于加大了漏气通道1的气体过流面积，
300-450毅的漏气量局部放大图如图12所示，而且此过程
基本不影响发动机的环保性能。
中的漏气主要以空气为主，
5虚拟试验研究结论
通过对虚拟试验结果的分析表明：
而
淤一环、二环开口间隙对漏气量的影响最为显著，
·58·
图7一环开口间隙对漏气量的影响
图8一环开口间隙对二环岸气压的影响
图9一环开口间隙对活塞环相对位置的影响
图10二环开口间隙对漏气量的影响
内燃机与配件
图11二环开口间隙对二环岸气压的影响
（a）一环环槽深度对漏气量的影响
（b）一环环槽深度对漏气量的影响
（局部放大图）
图12一环环槽深度对漏气量的影响
其它参与试验的因素对漏气量的影响与一环、二环开口间
隙相比较小；
0.175mm
于第一环岸间隙对漏气量的影响最大，其间隙值从
隙从0.25mm
增大到
增大到
0.55mm
0.55mm
，漏气量增加高达
，漏气量增加约
4倍；
17.5%
而二环间
。同时
分析显示，一环和二环间隙需要彼此结合考虑才能发挥更
好的效果，如果经由一环下行的气体在二环处被过多节
流，则会导致一环在一个周期内两次悬浮，
不利于活塞环
与环槽的配合，甚至导致异常的磨损。
从分析数据来看，活
InternalCombustionEngine&Parts
·59·
新能源悬置系统二级隔振分析
夏永文曰罗春根曰曹倩倩
（上汽商用车技术中心，上海200438）
摘要院新能源汽车主要采用电机驱动，相对传统汽车而言，高阶激励更加突出。本文通过在传统悬置系统件的基础上，增加二级橡
胶隔振，并分析其对高频振动隔振的影响，解决由高频振动导致的啸叫问题。
高频隔振；
关键词院二级隔振；啸叫；电机悬置
中图分类号院U461.56文献标识码院A文章编号院1674-957X（2021）08-0059-03
0引言
悬置系统是动力总成振动传递路径过程中最重要的
减振件之一，直接影响动力总成振动传递及车内的舒适
悬置件可以通过增加二级
性。新能源电机啸叫问题突出，
隔振衬套，解决高频啸叫问题。
1新能源电机啸叫特点
如图1所示，传统的发动机振动激励主要集中在
1000Hz以内，阶次主要为2/4/6/8阶（如图1所示）；相对于
传统的发动机，新能源电机激励主要集中在1000Hz以上，
阶次主要是8阶以上的高阶
（如图
2所示）。由于人耳对
因此各新能源车型很
1000-4000Hz频段的声音非常敏感，
容易出现高频啸叫问题。
图1新能源电机主动侧激励频谱图
当前各大汽车厂一方面通过齿轮
针对电机高频啸叫，
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
轴系分布、壳体模态优化等措施降低电机
工艺、齿轮修型、
（
1985原）
工程师，硕士研究生，
作者简介院夏永文，男，上海人，研
从源头上优化啸叫问题。
激励源高频振动，
究方向为动力总成悬置。
但是过小的活塞环在热膨胀
塞环开口越小则漏气量越小，
条件下又容易导致顶口的危险，因此一般采用2-3mm作
为其开口间隙值。
其平均漏气
盂环槽深度对总漏气量的影响十分有限，
量随着环槽深度的改变仅变化4.0%。从上述分析中可以
看出，活塞环、活塞及衬套之间的配合尺寸应重点细化设
计，尽可能减小窜气通道。另活塞窜气量作为整机系统参
要根据实际情况，进行全面
数，影响因素很多，发生问题时，
确定故障零件，
排查，首先找到故障源头，再进行有效改进。
6改进参数测试验证
为验证虚拟试验分析结论，采用试验分析得到的最佳
参数组合与原方案进行对比，重新装配2台发动机（发动
。对窜气量进
机参数调整如表5所示）在完成磨合试验后，
得到窜气量试验结果如图
13所示。行测试验证，
表5参数改进
项目
一环开口间隙
二环开口
一环槽深
原方案
4.5mm
5.5mm
0.1mm
改进方案
2mm
3mm
0.08mm
备注
减小漏气通道
图13改进后窜气量数据
2018，34（05）：54-62.
[2]王树青，吴国栋，郭金宝，等.活塞环动力学数值模拟计算
及试验研究[J].内燃机与动力装置，2008.
[3]于彩侠.内燃机活塞环岸区域润滑油输送机理研究[D].合
肥工业大学，2013.
[4]郝志勇，丁加岑，朱君亮，等.活塞环开口位置对窜气特性
影响的研究[J].北京理工大学学报，2016，36（3）：258-263.
[5]王兆
煖
.缸套粗糙度对柴油机运行性能的若干影响[J].柴油
机设计与制造，1998，4.
[6]杨连声.内燃机设计[M].中国农业机械出版社，1981：225.
[7]郝志勇，丁加岑，朱君亮，等.活塞环开口位置对窜气特性
影响的研究[J].北京理工大学学报，2016，36（3）：258-263.
从图13中可以看出发动机的窜气量得到了明显改
卡滞等故障。改进后活
善。拆机检测，活塞环无异常磨损、
塞环已经设计定型。
参考文献院
[1]雷基林，张大帅，邓晰文，毕玉华，周峰，杨永忠.活塞环组
结构参数对柴油机漏气量和机油消耗的影响[J].农业工程学报，