毕业设计V8发动机工作过程仿真分析论文

仲恺农业工程学院 毕 业 设 计 姓名 丘彬 院（系） 机电工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化 093 班 学 号 200910824309 指导教师 张日红 职 称 讲师 论文答辩日期 2013 年 5 月 26 日 仲恺农业工程学院教务处制 学生承诺书 本论文是在导师的指导下完成的研究成果， 本学位论文的研究成果不包含 其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体的科研成果，均在文中以明确的方式说明，本人依法享有和承担由此论文所 产生的权利和责任。 作者签名： 日 期： 摘 要 发动机作为汽车最重要的部件之一，不仅有着复杂的结构，还暗藏着许多难懂的原理， 动机是发动机当中享有很高地位的一种，对于汽车爱好者，汽车使用者，汽车维修者等众多人来说，掌握它的结构跟原理是很具有现实意义的，此次毕业设计主要是基于 8发动机进行建模展示结构，做运动仿真展示原理以及基于 件的 动机主要传动部件的有限元分析。 形象地将结构模型与工 作过程相结合共同阐述其工作原理。因此，做这个毕业设计不管从技术角度还是从时代要求的角度看都很具有意义的。论文将通过发动机的模型结构（图片）与工作过程相结合形象而直观地展现其工作原理，更便于读者去理解掌握。 关键词 ： 运动仿真 有限元 目 录 1 前言 . 1 研究背景 . 1 发动机的分类 . 1 . 2 研究目的及意义 . 4 2 . 4 总体结构 . 4 曲柄连杆机构 . 6 曲柄连杆机构的建模 . 6 配气机构 . 8 配气机构的建模 . 8 配气机构的原理解析 . 8 冷却系统 . 13 润滑系统 . 13 供给系统 . 14 起动系统 . 15 点火系统 . 16 3 基于 8发动机运动仿真分析 . 16 . 16 . 19 基于 . 19 . 26 4 . 29 发动机曲轴的模态分析 . 29 曲轴部件模型的简化 . 30 曲轴模型参数与边界条件的设置 . 30 结果后处理分析 . 32 发动机连杆部件静态分析 . 33 连杆部件模型的简化 . 33 连杆部件模型参数与边界条件的设置 . 34 结果后处理分析 . 35 1 1 前言 研究背景 发动机 的分类 我们都很清楚的知道一个事实，汽车就像电脑一样不断的普及，已经成为家喻户晓的一种交通工具，有汽车的 ” 心脏 ” 之称的发动机也就不断为我们所认识，所了解。但是，想要 更加清楚 的了解汽车发动机，我们很有必要去了解一下汽车发动机的分类，因为汽车发动机不仅种类繁多，分类方式也及其复杂。以下是汽车发动机 的各种分类： 按活塞运动方式分类：活塞式内燃机可分为往复活塞式和旋转活塞式两种。前者活塞在汽缸内作往复直线运动，后者活塞在汽缸内作旋转运动。 按照进气系统分类：内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸气 (非增压 )式发动机和强制进气 (增压式 )发动机。若进气是在接近大气状态下进行的，则为非增压内燃机或自然吸气式内燃机 ；若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压内燃机。增压可以提高内燃机功率。 按照气缸排列方式分类：内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式、双列式和三列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的。双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角 180( 一般为 90) 称为 V 型发动机，若两列之间的夹角=180 称为对置式发动机。三列式把气缸排成三列，成为 按照气缸数目分类：内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有 一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸、十六缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用三缸，四缸、六缸、八缸发动机。 按照冷却方式分类：内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的 冷却液 作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体 与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。 2 按照行程分类：内燃机按照完成一个工作循环所需的冲程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。把 曲轴 转两圈 (720) ，活塞在气缸内上下往复运动四个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机；而把曲轴转一圈 (360) ，活塞在气缸内上下往复运动两个冲程，完 成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。 按气门机构种分类：侧置气门（ 动机、侧置凸轮轴（ 动机、顶置凸轮轴（ 动机、可变气门（ 动机 和 按燃油供应方式分类：化油器发动机和电喷发动机 。 按照所用燃料分类：内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低；柴油机压缩比大， 热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。 V 型发动机发展历史与技术特点 活塞发动机的气缸分列在曲轴的两侧，在该方向上呈现出 种排列方式相较于水平直线排列的设计，可以减少发动机的长度，高度和重量。 是有一个角度，两排汽缸之间的角度取决于汽缸的数量以及运作顺畅的考量而有不同，比较常见的角度包括 60度与 90度。由于 V 型发动机的汽缸是朝外侧倾斜，因此发动机上侧的宽度较大。 最早 汽车 发动机是单缸的，后来有了直列多缸发动机， 现 了，他们设计的最早的 V 型发动机只有两个气缸，也就是 1905 年 车公司生产了世界上第一款装备 动机的 轿 车 。 1902 年法国人 计了世界上第一款 1904年 动机概念在法国非常流行， 雷诺 制造了 1905年 劳斯莱斯 制造了 8发动机。 在问世十年时间里，虽然很多厂商都制造了 过这些 量很少，第一款大批量生产的 914 年开始生产的 凯迪拉克 的 第一次世界大战中， 时 诺、 戴姆勒 和 迈巴赫 都生产了 于美国本土没有收到第一次世界 3 大战的波及， 汽车上应用于 1916 年就开始了，为了争夺美国豪华轿车第一把交椅，美国的帕卡德在 1916 年率先生产了装备 动机的豪华轿车，凯迪拉克和 930年开始生产装备 出于对更大 功率的渴望，在发动机设计上屡有创新的美国 司于1927年开始设计 动机，可惜一直等到 1931年才投产， 1930年凯迪拉克设计生产了自己的 动机和装备这台发动机的豪华轿车凯迪拉克 助于凯迪拉克 迪拉克从而成为美国第一豪华轿车品牌。 8 机械增压发动机技术亮点 ： 用的 出功率高达 556 马力，扭矩为 747牛 米，是凯迪拉克品牌有史以来动力最为强劲的发动机， 0小时加速仅需 。 系列拥有独特设计的进气格栅，可将进气量提高一倍，从而实现高散热性能。 压器系统和先进的铝合金汽 缸盖。机械增压器的旋转内部组件的新型设计扩展了其效率范围，使得发动机在各种转速下都具有平稳宽广的功率范围。无论在低速还是在高速条件下，动力都是瞬间启动、强劲和持续的。 凯迪拉克 :一直以来，凯迪拉克一直在致力于极致动力科技研发，而其动力系统真正开始于 1914 年，当时，凯迪拉克推出美国第一台 8缸发动机，此发动机采用了恒温控制的冷却剂的流动，后来普遍被其他制造商所采用。十年后，凯迪拉克双平面的 V - 8曲轴的发明为凯迪拉克在发动机技术上做出了又一重大突破。重新设计的 凯迪拉克 V 8 发动机的出现，标志着多缸发动机时代的到来。 1930年，凯迪拉克推出了世界上第一次用于客车使用的 V 16发动机， 一年，凯迪拉克推出了同一车型的 动机，相比起 60马力， 产生 135 马力。 1949 年底，凯迪拉克研制出了高压缩比、顶置式气门、轻型的 动机，它的出现为凯迪拉克以后的发展产生了重大影响。 1992年，通用汽车高级 8发动机诞生，采用全铝结构四顶置凸轮轴配气系统，在当时 动机中技术和性能均处于领先地位。 之后，不断有 V 型号的发动机在此基础上研发创新，为 V 家 4 族的极致动力的高性能马力奠定了坚实的基础。 研究目的及意义 发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力 。 简单讲发动机就是一个能量转换机构，即将汽油 (柴油 )的热能，通过在密封 汽缸 内燃烧气体膨胀时，推动 活塞 作功，转变为机械能，这是发动机最基本原理。发动机所有结构都是为能量转换服务的，虽然发动机伴随着汽车走过了 100 多年的历史，无论是在设计上、制造上、工艺上还是在性能上、控制上都有很大的提高，其基本原理仍然未变，这是一个富于创造的时代，那些发动机设计者们，不断地将最新科技与发动机融为一体，把发动机变成一个复杂的机电一体化产品，使发动机性能达到近乎完善的程度，各世界著名汽车厂商也将发动机的性能作为竞争 亮点 。 汽车的动力性、经济性、环保性 都有着极大的进步空间 。 随着发动机的迅速发展，数量的急剧增多必然带来一系列问题，作为汽车最重要的部件之一，对发动机的保养维修必然是大家最关心的一个问题，而熟悉汽车发动机的结构跟原理是保护和维修好汽车发动机的前提条件。因此，随着汽车数量的增多，汽车使用者的普及，对汽车发动机的了解将会越来越普遍。 于汽车爱好者，汽车使用者，汽车维修者等众多人来说，掌握它的结构跟原理是很具有现实意义的，此次毕业设计主要是基于 8发动机进行建模展示结 构，做运动仿真展示原理，形象地将结构模型与工作过程相结合 共同阐述其工作原理，这样就让模型与原理文字形象直观地结合在了一起 ， 更容易理解。 因此，做这个毕业设计不管从技术角度还是从时代要求的角度看都很具有意义的。论文将通过发动机的模型结构（图片）与工作过程相结合形象而直观地展现其工作原理，更便于读者去理解掌握。 2 动机的结构建模与解析 总体结构 汽油机由以下两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成。它是借由燃烧气体产生动力经过活塞连杆机 构带动曲轴进行旋转。再通过链传动进一步带动凸轮轴旋转，从而使配气系统循环工作，不断燃烧气体产生动力，从而使整个机构实现循环。 本 5 次设计主要针对汽油机当中 动机进行研究 ， 内燃机的汽缸排列型式之一 ，他的 8个气缸分成两组，每组 4个，成 而这次毕业设计，我主要是 基于 8发动机的主要部分 进行建模 ,这章我们将对 对一些结构原理进行分析。 零件装配图如图 2 图 2动机总体装配图 动机的 主要运动部分是曲柄连杆机构跟配气机构两大机构，除了这两大机构还包括五大系统，即 燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系 ，这五大系统与两大机构相互配合工作，发动机各部分的位置结构大致 如图 2示： 6 图 2发动机的刨切图 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构的建模 曲柄连杆机构是发动机的主要传动机构， 他主要有汽缸体曲轴箱组，活塞连杆 组 和曲轴飞轮组组成。他的作用主要是 把高压气体作用在活塞顶部 的压力转变为曲轴的扭矩，通过传动系传给驱动轮（ 即进行热功转换 ） 。其中曲柄连杆机构的零件装配图如图 2 图 2曲柄连杆机构装配 7 （ 1）活塞连杆组，作用是将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出功率。其 具体 结构如图 2 图 2活塞连杆组 (2)曲轴飞轮组，功用是把活塞、连杆传来的气体作用力转变为转矩， 用于驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装 置。其具体 结构如图 2 图 2曲轴飞轮组 8 配气机构 配气机构的建模 配气机构是 汽车发动机的主要机构，配气机构主要作用是 按照发动机各缸的作功顺序和每一汽缸工作循环的要求，定时开启和关闭各汽缸的进、排气门，配合发动机各缸实现进气、压缩、作功和排气的工作过程。配气机构主要由气门组和气门传动组组成。 其中气门组跟气门传动组 的主要结构 如图 2示： 图 2配气机构 配气机构的原理解析 1 配气相位 “配气相位”是发动机（每个汽缸）的进、排气门从开启（时刻）到关闭（时 刻）曲轴所旋转的角度。在配气凸轮轴的凸轮形线不变的情况下，进、排气门从开启到关闭曲轴旋转角度的数量（即进、排气门的总开启角度）是不变的。 9 图 2(1)气持续角 从图 2发动机在工作过程 中，排气门在做功行程活塞到达下止点前一定距离时开启，即排气门提前开启，把此时曲柄与活塞位于下止点时曲柄之间的夹角叫做“排气提前角”，用“ ”表示（一般为 40 80）；而在排气行程活塞越过上止点一定距离后排气门才关闭，即排气门延迟关闭，把此时曲柄与活塞位于上止点时曲柄之间的夹角叫做“排气延迟角”，用“ ”表示（一般为 10 45）。进气门在排气行程活塞到达上止点前一定距离时开启，即排气门提前开启，把此时曲柄与活塞位于 上止点时曲柄之间的夹角叫做“进气提前角”，用“ ”表示（一般为 10 45）；而在进气行程活塞越过下止点一定距离后进气门才关闭，即进气门延迟关闭，把此时曲柄与活塞位于下止点时曲柄之间的夹角叫做“进气延迟角”，用“ ”表示（一般为 40 80）。 排气门从开启（气门升程 1关闭（气门还有 1轴所旋转的角度数叫做“排气持续角”；进气门从开启（气门升程 1关闭（气门还有 1程）曲轴所旋转的角度数 叫做“进气持续角”。如图 2 2 10 图 2进气跟排气各种角的示意图 图 2进气跟排气各种角的示意图 进、排气门提前开启和延迟关闭的目的是改善进、排气状况，使排气干净、进气充足，以提高发动机的动力性能和降低燃油消耗。 （ 2） 从图 2排气行程活塞位于上止点时，由于进气门提前开启、排气门延迟关闭，使进、排气门同时开启着。称为“气门叠开”。从进气门开启时曲柄与排气门关闭时曲柄之间的夹角 （曲轴所旋转的角度数），“ ”与“ ”之和称为“气门重叠角” 。 11 2 配气正时 一台发动机的“配气相位”，是根据该发动机的结构、性能等要求特性，在设计制造时通过试验和计算确定的，由配气凸轮的形线决定。为保证进、排气门的提前开启角正确，必须在安装配气凸轮轴时，使凸轮轴相对于曲轴的角度正确，这就是“配气正时”。“配气正时”，是指配气机构与曲轴连杆机构的动作必须协调一致，以保证发动机能正常运转。气门在活塞处于什么位置时开启（或关 闭），在凸轮形线确定的情况下，由配气机构传动机件、凸轮轴安装时相对于曲轴的角度决定。 在多缸机型中，几个活塞不同时到达上止点，故有两个或两个以上止点标记如图 2 图 2上止点标记示意图 另一对标记表示活塞位于压缩行程上止点时，进、排气门应处在同时关闭的位置，其动标记通常设在从动链轮上或凸轮轴端面上，静标记或设在汽缸头上或 以凸轮轴轴承座孔剖分面为标记，如图 2 2 12 图 2动标记位置示意图 图 2静标记位置示意图 用齿轮传动的配气机构，其动、 静标记则设在两啮合的齿轮上，如图 2 图 2对准标记 正常情况下，只要将上述两对标记同时对准后进行安装，就能保证配气正时； 也只有将上述两对标记同时对准后进行安装，才能保证配气正时。 13 冷却系统 他的冷却系统主要由 水套、水泵、散热器、风扇、节温器等组成。冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。 水泵的零件 装配 图如图 2 图 2水泵 润 滑系统 润滑系统主要 由机油泵、集滤器、限压阀、油道、机油滤清器等组成。 其 功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。 油泵的零件装配图如图 2 14 图 2油泵跟油管 供给系统 供给系统主要由 汽油滤清器 、 进气歧管 、 排气歧管 等组成。电控燃油喷射式由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统组成。汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去； 进气管跟排气歧管的零件如图 2 2 图 2进气歧管 15 图 2排气歧管 起动系统 主要 由起动机及其附属装置组成。功能：要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转 动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。 本次设计主要对电机进行了模型的建造， 电机的零件图如图 2 图 2电机 16 点火系统 主要由 统式由蓄电池、发电机、点火线圈、断电器、火花塞等组成。功能：在汽油机 中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系。 由于本次设计主要是针对 工作过程的仿真，并未对火花塞等一些与运动过程无关的小零件进行建模。 3 基于 动机 运动仿真分析 动机的基本原理介绍 它是借由燃烧气体产生动力经过活塞连杆机构带动曲轴进行旋转。再通过链传动进一步带动凸轮轴旋转，从而使配气系统循环工作，不断燃烧气体产生动力，从而使整个机构实现循环。 他的工作过程主要由四部分组成，即 进气、压缩、作功、排气四个行程。 1 进气行程 活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和 所示汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。如图 3 图 3进气行程 17 2 压缩行程 进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时，进、排气门均关闭。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，其压力和温度同时升高。 如图 3 图 3压缩行程 3 作功行程 压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转作功。这时，进、排气门仍旧关闭。 如图 3 18 图 3作功行程 4 排气行程 排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止 点，此时膨胀过后的燃烧气体 (或称废气 )在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。 如图 3 图 3排气行程 19 动机的运动仿真分析 基于 动机 运动仿真过程 发动机 主要运动部分 包括曲柄连杆机构跟配气机构，此次仿真主要针对发 动机的主要运动部分进行仿真，因此对一些与仿真无关的零件进行隐藏处理， 他主要运动部分 零件装配图如图 3 图 3主运动部 分装配图 1 装配图的导入 : 首先我们在 件下打开如图 38发动机装配图，在【启动】目录下打开【运动仿真】选项， 在【运动导航器】上右击装配文件名，在弹出的【环境】对话框中选择【动力学】，单击【确定】按钮。在弹出的【机构运动副向导】对话框中单击【确定】按钮，把装配图中的构件自动转换成连杆，装配关系映射成仿真模块里的 运动副。在弹出的【主模型到仿真的配对条件转换】对话框中选择【 是 】 。 2 连杆的设置 : 由于如图 3示的装配图中，有很多零件时不涉及运动但是在步骤 1 里面也被转换成了连杆，因此 我 把连 杆 都 删除掉，重新进行 连杆 设置。 涉及运 动的部件 数量 总结为 如 表 3连杆设置情况如图 3 20 表 3运动部件数量总结表 单位 :个 曲轴 凸轮轴 连杆 活塞 摇杆 气门 总共 1 2 8 8 16 16 51 图 3连杆设置信息 栏 3 添加运动副 : 选择【运动导航器】下的 的 每个运动副与装配图对照，由于这些运动副都是自动转化得到的，因此，很多是不正确的，为了避免工作的繁琐我把这些运动 副都删掉了，重新对运动部件进行一个个添加运动副。 以下是各个运动副 详细 的添加情况： （ 1） 左一 连杆与曲轴之间添加 的 旋转副如图 3示，右一连杆与曲轴添加的旋转副跟左一连杆与曲轴之间的旋转副类似，就指定矢量的方向是相反的。如图3 21 图 3连杆与曲轴之间的旋转副 图 3连杆与曲轴之间的旋转副 （ 2） 连杆与活塞之间添加的旋转副如图 3余七个连接也是一样，运动情况相同，故也是添加旋转副。 22 图 3连杆与活塞之间的旋转副 （ 3） 对 活塞 固定 滑动副如图 3共有八个活塞，他们的添加情况也是一样。 图 3活塞自身的固定滑动副 (4)对一个曲轴跟两个凸轮轴自身添加一个 固定 旋转副，因为他们都是自身转动，所以在添加过程中我们不选啮合齿轮，其旋转副分别如图 3 23 图 3曲轴自身的旋转副 图 3凸轮轴自身的旋转副 （ 5）对气门自身添加固定滑动副，如图 3示，一共有 16 个气门，由于他们运动情况一样，因此都是添加固定滑动副。 24 图 3气门自身的固定滑动副 （ 6）对摇杆添加固定旋转副，如图 3示，摇杆跟气门的个数一样 16 个，而且他们的运动情况也相同，所以都添加固定旋转副。 图 3摇杆自身的固定滑动副 我们一共添加了 58个 各种类型的 运动副，运动副添加情况如图 3 25 图 3运动副添加信息 栏 在添加好运动副之后 我们可以进行运动规律的仿真，右击【运动导航器】上的仿真项目 ，新建解算方案，在解算方案里面我们根据自己需要的时间跟步数设置好之后确定就可以进行求解了。 仿真界面如图 3 图 3仿真界面 26 动机的运动仿真结果分析检验 火间隔为 908720 ， 4个曲拐互成 90 ， 如图 3根据表 3作顺序大概 可以分为 两 种 ： 32234411 和13223441 。 由 表 3们可以发现，发动机的各个气缸内每经历一个工作行程曲轴将旋转 180，也就是说发动机 各个气缸内 每经历四个完整的行程曲轴将旋转 7204180 。 图 3动机缸体与曲拐的示意图 表 3四冲程 动机工作情况 曲轴转角（） 2 4 2 4 0功 作功 排气 压缩 压缩 进气 排气 进气 90气 进气 作功 压缩 18080气 作功 压缩 进气 270气 压缩 排气 作功 36060气 排气 作功 压缩 450缩 作功 进气 排气 54040缩 进气 排气 作功 630功 排气 压缩 进气 27 我们根 据曲轴所转过的角度来设置时间，以曲轴转过 0作为时间的起始点 0，当曲轴每次转过 90记一个时间单位 T。 1 首先我们以第一缸右 的做功行程为例分析其他七个气缸的工作情况 ， 一个行程曲轴将转过 180，根据表 3，我们将分析在时间段 0 到 2T 之间各个缸体的工作情况。根据发动机的工作顺序 32234411 ，我们可以总结出各个缸体的工作情况所示如表 3 表 3气缸在 0的工作状态 2 4 2 4 0功 排气 作功 压缩 压缩 排气 进气 进气 功 进气 排气 压缩 作功 排气 进气 压缩 我们把装配好的 动仿真中，我们以 第一右缸的作功行程即在时间 0 为研究对象 ， 仿真图片如图 3仿真中我们可以得到各个缸体的工作情况如下 : (1) 缩 行程， (2) 这与表 3明仿真 符合实际 。 28 图 30各气缸 工作 情况 2 对第一左缸的作功行程分析 其他七个缸体的工作情况 ， 由表 3知，第一左缸作功行程即为曲轴转过 90到 270的过程，就是说我们将研究时间段各个气缸的工作情况。根据发动机的工作顺序32234411 ，我们可以总结出各个缸体的工作情况所示如表 3 表 3气缸在 的工作状态 2 4 2 4 功 进气 排气 压缩 作功 排气 进气 压缩 2气 进气 排气 作功 作功 进气 压缩 压缩 我们把装配好的 动仿真中，我们以第一右缸的作功行程即在时间 0为研究对象，仿真图片如图 3 仿真中我们可以得到各个缸体的工作情况如下 : (1) 功 行程， 缩 行程 , 29 功 行程， 气 行程， 气 行程， 缩 行程。 (2) 气 行程， 缩 行程， 气 行程， 功 行程。 这与表 3明仿真 符合实际 。 图 3各气缸工作情况 按照步骤（ 1） (2)针对其他六个缸 体的作功行程依据同样的方法进行检验，都符合实际， 在此将不一一列举。 4 动机的主要传动部件的有限元分析 发动机曲轴的模态分析 曲轴作为一个复杂的弹性连续体，它对发动机 有着重要的影响。在发动机高速运转中，曲轴的扭转振动往往成为曲断裂的主要原因。要设计一款曲轴，必须考虑其振动、噪声等特，而对曲轴的模态分析却是必不可少的。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域的应用。态是机械结构固有振动特性， 每一个模态具有特定的固有频率、振型，这些参数可以由计算或试验取得。讨论的是模态分析中的计算模态分析。曲轴在工作过程中不断的受到复杂的交变的冲击载荷激励，随之产生了横向、纵向以及扭转振动，当某 30 一激励力的频率和曲轴其中一阶固有频率相同或者相近时，产生轴系的共振，这足以导致曲轴的疲劳断裂。对曲轴的模态分析是对曲轴的振动特性分析，为振动故障及结构动态特性的优化设计提供依据。自由模态分析反应了曲轴刚体的固有特性，而约束模态分析更能够模拟曲轴安装在发动机缸体中所表现的固有特性。利用了有限元方法对 动机曲轴进行了约 束模态分析，得到其固有频率和振型，为后续优化设计提供理论依据。 曲轴 部件 模型的 简化 此项目 以 共有 4个连杆轴颈和 5个主轴颈 ， 其主要尺寸参数如下 : 主轴颈长度为 26 主轴颈直径为 67 曲柄销长度为50 曲柄销直径为 53 文通过在 维实体设计软件中建立曲轴的模型 , 然后导入到 简化了三维实体建模的工作量。 由参考文献 7知 , 在进行曲轴实体建模时 , 为使有限元网格化与实体结构一致 , 保证计算结果的模态特性 , 在不影响结构动 态特性的原则下 , 对曲轴体内小尺寸的结构进行了省略简化处理 , 建成的曲轴三维实体模型如图 4： 图 4曲轴的简化 三维 模型 曲轴模型参数与边界条件的设置 1 模型参数的设置 进行模态分析前曲轴的材料参数设置， 材料参数设置如表 4 31 表 4材料特性 材料 40性模量 200松比 度 7850kg/m 2 网格划分 进入 块进行网 格划分，网格划分采用四面体网格，网格大小合适，单元尺寸设置为 有 47912个节点， 29413个有限单元，有限 元模型 如图4示。 图 4曲轴的有限元模型 3 添加约束 在对整体曲轴进行计算模态分析时，采用不同的约束对分析结果将会产生直接的影响，边界条件不同，所求得的模态参数也不同。针对发动机实际运行情况，曲轴受到主轴承和纵向止推轴承的约束，纵向止推轴承可以有效防止曲轴的轴向窜动，保证连杆活塞组正常工作。该曲轴有 5 个主轴颈，模拟 实际情况对曲轴的5个主轴颈分别施加无摩擦约束（ 即轴颈表面径向的对称约束。为控制发动机在工作时曲轴的轴向窜动，在曲轴上设置有轴向定位装置。但是又要保证曲轴在受热膨胀时有一定的 自由伸长量 ，所以曲轴上只能有一处轴向定位。为模拟轴向定位约束，在曲轴后端面施加了轴向位移约束，即： X=0。 32 结果后处理 分析 由于曲轴的低阶模态才对曲轴的振动分析有实际的参考价值 5，利用有限元软件求得了曲轴前 6阶（ n=6）模态，其中曲轴第 1 阶模态固有频率为 0，为刚体的转动模态， 对刚体的振动分析没有实际意义。各阶固有频率，如表 4示。表中： n 模态的阶次； 曲轴的固有频率。 表 4前六阶固有频率参数 (单位： n 1 2 3 4 5 6 （ 0 用 出曲轴前 6 阶的振型。 在此我选择了比 较有代表性的第 3、 4、 5阶的振型图进行分析，如图 4。从振型图可以看出，第 3 阶固有频率下发生曲轴的纵向弯曲振动，第二主轴颈上的平衡块变形较大 ； ；第 4阶发生纵向弯曲振动，如图 4示。其中第四主轴颈上的平衡块变形较大；第5 阶发生曲轴的横向弯曲振动，如图 4示。第四主轴颈部位平衡块变形较大 。 图 4第三阶振型图 33 图 4第四阶振型图 图 4第五阶振型图 发动机 连杆部件静态 分析 连杆是内燃机组成的重要传动零件之一 , 其作用是连接活塞与曲轴 , 将作用在活塞上的力传给曲轴 , 使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动 , 对外输出做功。连杆工作时 , 小端作往复运动 , 大端作旋转运动 , 杆身作复杂的平面运动 , 因此连杆的受力情况十分复杂 。连杆也是承受负荷最严重的零件之一 , 同时承受活塞传来的气体压力、往复惯性力和本身摆动时所产生的惯性力作用。连杆一旦出现弯曲和扭曲 , 会产生活塞拉缸外 , 还会导致活塞、 汽缸、曲轴等机件出现不正常的磨损 , 很容易引起疲劳破坏而断裂 , 从而造成极严重的后果。 因此， 对连杆的优化设计尤为重要，而 对连杆部件进行静态分析可以为连杆的优化设计等提供理论依据。 连杆 部件 模型的 简化 此项目 以 研究对象 , 其主要尺寸参数如下 :连杆小头端内直 34 径 22直径 30杆大头端内直径 57直径 67杆长 104在维模型保存为 件，接着导入 。在不影响结构动态特性的原则 下 , 对曲轴体内小尺寸的结构进行了省略简化处理 , 建成的曲轴三维实体模型如图 4： 图 4连杆的简化三维模型 连杆部件 模型参数与边界条件的设置 1 模型参数的设置 进行静态 分析前曲轴的材料参数设置， 材料参数设置如表 4 表 4材料特性 材料 40性模量 200松比 度 7850kg/m 2 网格划分 进入 块进 行网格划分，网格划分采用四面体网格，网格大小合适，单元尺寸设置为 有 10929个节点， 6089个有限单元，有限 元模型 如图 4示。 35 图 4连杆的简化三维模型 3 约束条件和施加 载荷 边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性 、 合理性 。在实际工程中 , 汽车连杆的大头孔是与轴承配合的 , 而小头孔的 90 范围内受到面压力的作用 。 “ 中选取大圆孔的内表面以及 Y = 0 的所有面施加对称约束 , 在小孔的内表面上施加 面压力 ,本次项目直接在连杆上施加均布载荷的方法，施加力为 束跟载荷的施加情况如图 4 图 4约束跟载荷的施加 结果 后处理分析 连杆应力分析云图、应变分析云图跟总变形分析云图分别如图 4 4 4示，从图 4们