內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的建模與仿真分析

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(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中國重汽集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250003)

0 引言

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)中的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，也是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)部分。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件可以分為3組：機(jī)體組、活塞連桿組以及曲軸飛輪組。該機(jī)構(gòu)是在高壓下做變速運(yùn)動(dòng)，其工作過程中的受力非常復(fù)雜包括氣體作用力、慣性力、離心力、摩擦力等，在發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)，氣缸內(nèi)的溫度可高達(dá)2 500 K以上，最高壓力可達(dá)5～9 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000～6 000 r/min,則活塞每秒鐘要行徑100～200個(gè)行程，使得機(jī)構(gòu)容易產(chǎn)生振動(dòng)、磨損及斷裂。所以對(duì)該機(jī)構(gòu)建立虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真尤為重要。機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。利用ADAMS軟件，用戶可以快速、直觀、方便的建立參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)模型，并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。同時(shí)ADAMS還可以預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷。

以某型號(hào)直列6缸內(nèi)燃機(jī)為例，由于其在工作過程中產(chǎn)生的噪聲大，振動(dòng)強(qiáng)度高，所以在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型，對(duì)該曲軸系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到各部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力，為以后曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、疲勞壽命分析、降低噪聲及減少磨損奠定基礎(chǔ)。

1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

多體動(dòng)力學(xué)模型的建立主要包括：生成構(gòu)件、施加約束及主動(dòng)載荷、生成動(dòng)力學(xué)方程及求解。

1.1 生成構(gòu)件

在ADAMS/ENGINE模塊中建立某直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何模型，所建發(fā)動(dòng)機(jī)為4沖程，發(fā)火順序?yàn)?-5-3-6-2-4，壓縮比為14.5∶1，排量為14 L，缸徑140 mm,沖程為152 mm,有效連桿長度為304.8 mm,連桿軸頸直徑79 mm,長度為53 mm，主軸頸直徑100 mm,長度為56 mm，活塞銷直徑30 mm,長度為90 mm。曲軸材料為48MnV,彈性模量E=2.1 N/mm2,密度為7.8 kg/mm3?；钊芏葹?.6 kg/mm3，連桿密度為7.8 kg/mm3。利用ADAMS/ENGINE自帶的測試平臺(tái)可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行各種工況仿真分析。各構(gòu)件間的的連接關(guān)系為：曲軸第五主軸頸與缸體為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，其余主軸頸與缸體為圓柱鉸鏈，曲軸與飛輪為固接；曲軸與各個(gè)連桿大頭為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，連桿小頭和活塞銷為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，活塞銷和活塞為固接，活塞與缸體為圓柱鉸鏈，缸體和大地為固接[1-2]。曲軸連桿機(jī)構(gòu)的裝配模型如圖1所示。

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝配圖

由于實(shí)際的金屬零部件都是彈性體,而曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)常常會(huì)引起曲軸主軸頸與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體之間的敲擊噪聲,故曲軸的剛體模型已經(jīng)滿足不了分析的要求,因此需要對(duì)曲軸進(jìn)行柔性化處理。根據(jù)廠家提供的曲軸圖紙，在PRO/E中建立曲軸的三維實(shí)體模型，并將模型輸入到有限元分析軟件ANSYS中。由于本文主要是對(duì)曲軸做模態(tài)分析,對(duì)網(wǎng)格要求不像做應(yīng)力分析那么精確，所以采用的是solid45單元，采取自由網(wǎng)格劃分，所得166 725個(gè)節(jié)點(diǎn)，846 059個(gè)單元，提取曲軸的前20階模態(tài)，生成MNF文件，在ADAMS中通過RIGID to FLEX命令替換剛性曲軸。在柔性體與剛性體之間建立約束副時(shí)采用無質(zhì)量剛性小球(啞物體)來過渡連接。建立的剛?cè)峄旌象w模型能更好的模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)特性。曲軸的柔性化模型如圖2所示。

圖2 曲軸的柔性化模型

1.2 氣體壓力

作用在整個(gè)曲柄連桿結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)力為氣體作用在活塞頂部的爆發(fā)壓力，大小為氣體壓力和活塞投影面積的乘積。由于6缸的點(diǎn)火順序不同，所以作用在6缸上的氣體力出現(xiàn)峰值時(shí)刻不同，但大小基本相同。各機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力不用單獨(dú)施加，ADAMS軟件會(huì)以體積力的形式自動(dòng)施加給模型。通過試驗(yàn)測得在額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min下氣體壓力，輸入到matlab中，采用最小二乘法擬合成曲線，并每隔1°取值。

1.3 建立動(dòng)力學(xué)方程

當(dāng)曲軸被分為單個(gè)曲柄后，整個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)就簡化為6個(gè)如圖3所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[3]。

圖3中，oa為曲柄，ab為連桿，b為活塞；m1、m2為連桿等效質(zhì)量;m為曲柄的質(zhì)量。以曲柄為例建立動(dòng)力學(xué)方程。在o點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系xoy，在質(zhì)心處建立局部坐標(biāo)系x1cy1,ox與ox1夾角為，曲柄長為2r。由于曲柄的鉸點(diǎn)o在空間中保持位置不變和長度固定，可得兩個(gè)約束方程

(1)

求解式(1)可得鉸點(diǎn)O約束方程的雅可比矩陣為

(2)

獨(dú)立方程的個(gè)數(shù)為2，拉格朗日乘子有2個(gè)，即ρ=(ρ1ρ2)T,則曲柄的動(dòng)力學(xué)方程為

(3)

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

其它構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)方程建立方法類似在此不再陳述。

2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

選擇Steady-State Analysis設(shè)置仿真步數(shù)為2 000，一個(gè)工作循環(huán)即曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，曲軸轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min。如圖4～圖6為活塞的位移、速度、加速度特性曲線。從圖中可以看出,活塞的位移、速度和加速度均按一定的周期發(fā)生變化，在活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的加速度最大，且與速度方向相反。速度在為零處方向發(fā)生改變。從而可以推斷出活塞運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定易產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊。

圖4 活塞中心位移曲線 圖5 活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度曲線

圖7～圖9為曲軸1～3主軸頸(圖2中從左至右)在一個(gè)工作循環(huán)的的承載情況。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主軸頸的載荷影響到軸頸的磨損以及潤滑油槽和進(jìn)油口的布置。從圖可以看出，各主軸頸得載荷變化不盡相同，在波峰和波谷曲軸轉(zhuǎn)角處對(duì)應(yīng)的載荷最大，此處不易開油口。軸頸所受載荷為交變載荷，易引發(fā)軸系的振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲[4]。

圖6 活塞往復(fù)加速度曲線 圖7 主軸頸1上載荷曲線

圖8 主軸頸2上載荷曲線 圖9 主軸頸3上載荷曲線

圖10～圖13為連桿軸頸(圖2中從左至右)所受的載荷情況。從圖中可以看出,各連桿軸頸之間受力大小類似，各個(gè)軸頸按照內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火順序峰值間相差1 200相位角。當(dāng)連桿軸頸位于做功上止點(diǎn)處，此時(shí)連桿軸頸所承受的載荷最大。由于載荷的突變連桿軸頸處也產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

圖10 連桿軸頸1上的載荷曲線 圖11 連桿軸頸2的載荷曲線

圖12 連桿軸頸3上的載荷曲線 圖13 連桿軸頸4上的載荷曲線

3 結(jié)論

介紹了利用ADAMS軟件建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型的方法,同時(shí)還介紹了利用PRO/E與ANSYS軟件對(duì)曲軸進(jìn)行柔性化處理的方法。通過對(duì)剛?cè)峄旌象w模型的動(dòng)力學(xué)仿真，得到了活塞、曲軸、連桿在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力曲線。利用本文分析方法所得到的曲軸連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果,可直接用于后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)、噪聲分析、疲勞壽命分析等研究工作中。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳立輝，杜彥蕊，張艷華，等.基于ADAMS的曲軸連桿活塞建模與仿真[J].機(jī)械傳動(dòng)，2010，34(7)：60-63.

[2]袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]張國慶.零件剩余疲勞壽命預(yù)測方法與產(chǎn)品可再制造性評(píng)估研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2007.

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[5]陳立平，張?jiān)魄?，任為群，?機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.