柴油机曲柄连杆机构动力学仿真与瞬时转速分析.pdf

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1、秦建文黄映云王光同：柴油机曲柄连杆机构动力学仿真与瞬时转速分析7柴油机曲柄连杆机构动力学仿真与瞬时转速分析秦建文黄映云王光同(海军工程大学)[摘要]利用ADAMS软件对柴油机曲柄连杆机构进行动力学仿真，通过对各气缸添加气体压力使曲轴匀速转动，并且对各气缸往复惯性力转矩和气体压力转矩进行合成，分析了转矩的变化特点。最后把曲轴上所受的转矩与瞬时转速变化进行对比说明内部激励转矩与瞬时转速的波动有密切联系。[关键词]柴油机气体压力往复惯性力转矩瞬时转速Keywords：DieselG幽pressureReciprocatinginertiaforce

2、TbrqueInstantaneousrotationalspeed0概述柴油机的动力学研究主要集中于研究力的传递，这是柴油机的基本理论研究⋯。曲轴是柴油机中最重要、承载最复杂的零件之一。曲轴在工作过程中，受到周期性变化的激励力作用，有可能在柴油机工作转速范围内发生强烈的共振，使得动应力急剧增大，在曲轴的内部产生疲劳裂纹而导致曲轴过早的出现弯曲疲劳和扭转疲劳破坏，因此研究其受力的变化及影响有重要意义【2]。1曲柄连杆机构建模本文首先在UG软件的CAD模块建立了柴油机的曲柄连杆机构和简化机体的三维实体模型，并导人ADAMS中进行装配，装配体如图

3、1所示。图l柴油机传动组件的刚体模型在ADAMs／View中缸内气体压力的添加是通过Al(ISPL函数实现，与以往直接添加转动副并赋予固定转速的方法不同，该模型参考转速的调节参考调速器原理，通过step函数把起驱动作用的缸内气体压力乘以一个系数，转速过快时乘以一个小于l的系数，转速过低时乘以一个大于l的系数。该函数形式为s卸(，l一Ⅳ)，一o，6，o，c)，以1号缸为例，本文所用的气体压力函数为sfep((聊(6iooz^“，1)水180／订一4500)，一300，1．05，300，0．8)木(A娜咒(MDD(ABS(Ay(6io础un，Ⅱ1

4、))：IcRmD，720)，0．sPL，ⅣE一1，0)木

5、S)通过上述方法调节曲轴转速，可以排除附加力矩的影响，更接近曲轴运行的真实情况。根据各缸上止点对应的曲轴转角和发火次序插值出对应的燃气爆发压力值，并沿气缸轴向施加于活塞顶部，对柴油机曲轴系进行仿真∞]。曲柄连杆机构在运转稳定时各缸气体压力曲线如图2所示。图2各缸缸内气体压力曲线图图3是曲轴转速与1号缸缸内气体压力对比图，从图中可以看出，起始阶段转速逐渐上升，由于气体力函数的自我调节作用，缸内压力略有下降，随着转速的稳定，缸内气压最大压力也不再改蕾内燃机与配件2015年第2期变，最终曲轴

6、角速度稳定在额定转速4500de∥sec。m·=E=二二=—__一．掣．～——⋯一～，*”*—㈣·H-f-—————÷———■——————+一一一f一·P毕霉乒二+一4————o—l—一二：墓蓑囊疆翥■^■啦旧一fhk扫哟飘●e蝴，¨嚣∞图3曲轴转递与缸内气体压力对比图2仿真分析曲轴上的转矩包括内部激励转矩、总阻力矩和外阻力矩，内部激励转矩主要是往复惯性力转矩和气体压力转矩，两者的合力由连杆传递到曲柄销上，曲柄连杆机构结构示意图如图4所示。圈4曲柄迁杆d【构不惹嘲2．1往复惯性力转矩分析在曲柄连杆机构中，某一点的惯性力大小等于这一点的质量和加

7、速度的乘积。本文把连杆质量看成两部分：一部分质量在连杆小头，用m。表示，剩余的那一部分在连杆大头，用m：表示，总质量为m．，连杆小头质量的计算公式：m．：型阜坐(4．2．5)，nI=————=-—一I斗．z．J，L往复惯性力计算公式为：pi=mia(4．2．6)式中：m；——连杆及活塞在竖直方向做往复运动的总质量，且m。——活塞组质量在一个周期内往复惯性力的仿真图如图5所示．从中可以看出在一个周期内，往复惯性力波动两次，并且方向与加速度的方向相反，一个周期内往复惯性力的方向发生四次变化，并且在上止点附近往复惯性力的绝对值最大，分析其原因主要有

8、两个，一是在做功冲程的上止点前后缸内气体压力大．活塞和连杆小头加速度大，所以往复惯性力比较大；二是因为在下止点前后加速度方向与缸内气体压力方向相反，往复运动物体的加速度减小，造成往复惯性力减小。上止点附近做物体的加速度与气体压力方向相同，所以产生的往复惯性力相对较大。单缸体中做往复运动的活塞和连杆质量用表示，那么它们的往复惯性力作用在曲轴上转矩为：k=一m晤∞2r，5i加(cos8+÷cos28)·(1+—互生)。√如n2e图6为l号缸的往复惯性力作用在曲轴上的惯性力转矩，从图中可以看到在曲轴运转的一个周期内，往复惯性力是随着曲轴的转动而不断

9、变化的，其中方向和大小都会随之改变。活塞位于上、下止点时，转矩的大小为零。曲轴每转动一周，往复惯性力方向变化四次。———r———T——_=■————_1重蟊圆。门／