内燃机曲柄连杆机构的建模与仿真分析.pdf

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1、第27卷第2期石家庄铁道大学学报(自然科学版)v。1．27N。．22014年6月JOURNALOFSHIJIAZHUANGTIEDAOUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Jun．2014内燃机曲柄连杆机构的建模与仿真分析高爽，冯国胜，张兆松，刘怀银(1．石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄050043；2．中国重汽集团，山东济南250003)摘要：对内燃机曲柄连杆机构的工作性能进行仿真分析是该产品设计过程中的重要组成部分。运用机械系统仿真软件ADAMS，建立了曲轴、飞轮、连杆、活塞在内的虚拟样机模型，之后将曲轴视为柔性

2、体，利用PRO／E建立曲轴的三维实体模型，导入ANSYS进行模态分析，生成中性文件，再导入ADAMS中生成曲轴的柔性体模型来替换刚体模型，构造刚柔混合体模型，通过对模型的多体动力学仿真，得到曲轴连杆和活塞的运动特性曲线，为以后内燃机的优化设计及疲劳分析提供参考。关键词：曲柄连杆机构；ADAMS；动力学仿真中图分类号：TP274文献标志码：A文章编号：2095—0373(2014)02—0087—05O引言曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传递系统，也是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动部分。曲柄连杆机构的主要零部件可以分为3组：

3、机体组、活塞连杆组以及曲轴飞轮组。该机构是在高压下做变速运动，其工作过程中的受力非常复杂包括气体作用力、惯性力、离心力、摩擦力等，在发动机做功时，气缸内的温度可高达2500K以上，最高压力可达5～9MPa，发动机最高转速可达3000—6000r／min，则活塞每秒钟要行径100～200个行程，使得机构容易产生振动、磨损及断裂。所以对该机构建立虚拟样机模型，进行动态仿真尤为重要。机械系统分析软件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)是目前应用最为广泛的机械系统动力学仿真分析软件

4、。利用ADAMS软件，用户可以快速、直观、方便的建立参数化的机械系统模型，并对其进行静力学、动力学、和运动学仿真分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。同时ADAMS还可以预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷。以某型号直列6缸内燃机为例，由于其在工作过程中产生的噪声大，振动强度高，所以在ADAMS中建立虚拟样机模型，对该曲轴系进行动力学分析，得到各部件的运动规律及受力，为以后曲柄连杆机构进行优化设计、疲劳寿命分析、降低噪声及减少磨损奠定基础。1动力学模型的建立多体动力学模型的建立主要包括：生成构件

5、、施加约束及主动载荷、生成动力学方程及求解。1．1生成构件在ADAMS／ENGINE模块中建立某直列6缸发动机的几何模型，所建发动机为4冲程，发火顺序为1—5—3—6—2—4，压缩比为14．5：1，排量为14L，缸径140mm，冲程为152mm，有效连杆长度为304．8mm，连杆轴颈直径79mm，长度为53mm，主轴颈直径100mm，长度为56mm，活塞销直径30mm，长度为90mm。曲轴材料为48MnV，弹性模量E=2．1N／mm，密度为7．8kg／mm。活塞密度为2．6kg／mm，连DOI：10．13319／j．cnki．sjztd

6、dxxbzrb．2014．02．19收稿日期：2013—04—10作者简介：高爽女1987年出生硕士研究生基金项目：国家自然科学基金(11272220)第2期高爽等：内燃机曲柄连杆机构的建模与仿真分析89f一FCO=0Ly一rsin=0求解式(1)可得铰点0约束方程的雅可比矩阵为．，=rsinf1](2)⋯独立方程的个数为2，拉格朗日乘子有2个，即P=(P。P：)，则曲柄的动力学方程为m000mOLJ1+『rsinfl■日(3)0o÷+其它构件的动力学方程建立方法类似在此不再陈述。2动力学仿真分析选择Steady．StateAnalys

7、is设置仿真步数为2000，一个工作循环即曲轴旋转两周，曲轴转速为额定转速2100r／min。如图4～图6为活塞的位移、速度、加速度特性曲线。从图中可以看出，活塞的位移、速度和加速度均按一O定的周期发生变化，在活塞位于上止点时的加速度最大，且与速度方向相反。速度在为零处方向发生改变。从而图3曲柄滑块机构可以推断出活塞运动不稳定易产生振动和冲击。图4活塞中心位移曲线图5活塞往复运动速度曲线图7一图9为曲轴1～3主轴颈(图2中从左至右)在一个工作循环的的承载情况。发动机曲轴主轴颈的载荷影响到轴颈的磨损以及润滑油槽和进油口的布置。从图可以看出

8、，各主轴颈得载荷变化不尽相同，在波峰和波谷曲轴转角处对应的载荷最大，此处不易开油口。轴颈所受载荷为交变载荷，易引发轴系的振动，从而产生噪声。宝×0．00．001o．0020．0030．0040．0050．0