气缸-活塞组是内燃机的心脏,决定内燃机的经济性、动力性及寿命等主要性能。因此对其工作状态的及时诊断是为使内燃机有效运行的关键问题。另外,活塞拍击运动与气缸-活塞组件的表面磨损及内燃机振动噪声直接相关,而且受到活塞结构参数的影响,是影响内燃机质量的主要因素。所以,对活塞拍击运动的研究是预测气缸-活塞组件磨损情况以及评价内燃机振动的基础。内燃机机身振动是蕴含内燃机工作状态信息的重要诊断手段,而活塞拍击是内燃机振动的主要激励源,与气缸套表面振动直接相关,所以,根据内燃机表面振动信号诊断气缸-活塞组状态是完全可行的。机械振动诊断的核心就是振动信号的特征量分析。针对具有分形特性的内燃机振动信号,常用的分析方法有时域分析、频域分析、时频分析及小波分析方法等,但只根据这些方法不能实现对其非线性和非平稳性的准确分析。目前,分形理论是非线性科学的一个重要u且.非常活跃的方向,分形维数在机械振动信号分析中的应用受到越来越多的学者的关注。本文以根据内燃机振动信号分形维数的气缸-活塞组技术状态诊断为中心,进行了活塞拍击运动特性分析、气缸-活塞组件磨损评价研究、由活塞拍击引起的振动信号的分离以及振动信号的分形特征研究。本文首先采用活塞及活塞环动力学仿真软件AVL EXCITE Piston&Rings进行活塞拍击运动特性分析和活塞环对气缸套的作用特性及运动分析,获得了活塞拍击运动参数及活塞表面所有节点的受力情况、活塞环在环槽里的运动特性以及活塞环对气缸套压力作用情况。根据活塞和气缸套表面节点的受力情况及活塞和活塞环的相对运动参数,按照磨损与其影响因素的关系,评价活塞和气缸套表面磨损趋势。然后使用内燃机多体动力学仿真软件AVL EXCITE Power Unit,进行气缸套-活塞碰撞仿真,获得了气缸套内部表面每个节点的由活塞拍击的受力情况,将其输入到线性摄动分析软件,进行气缸套表面振动模拟,得到了气缸套表面每个节点的振动加速度信号。对这些仿真振动信号进行频谱分析和功率谱分析,进一步针对振动加速度信号,进行基于·G-P算法的信号的分形维数,即关联维数分析。同时对气缸套表而振动信号的总能量和关联维数随气缸套-活塞磨损间隙变化的变化关系进行分析,通过研究发现,活塞和气缸套发生一定的磨损后振动信号的关联维数与磨损情况之间存在良好的对应关系。最后以减小由活塞拍击所引起的振动信号的总能量为目的,进行活塞结构参数优化,获得了对振动信号总能量的影响较大的三个结构参数的优化设计方案。