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中北大学学位论文 发动机曲柄连杆机构多体系统动力学仿真研究 摘要 在研发阶段，振声性能是发动机研发流程中的一项关键性指标。准确的预测发动机 的振声特性足从根本上提高发动机的振声品质、缩短研制周期、提高市场竞争力的重要 途径，而准确的激励载荷分析，是进行内燃机振声特性预测和低噪声设计的基础。在此 背景下，本文针对某内燃机的激励载荷分析开展了系列研究工作。 传统的质点力系分析方法和多刚体系统动力学分析方法，由于无法考虑部件弹性和 动压润滑的影响，无法满足当代对激励载荷精确分析的需求。本文在研究计及部件弹性、 润滑条件影响的基础上，采用多体系统动力学方法对曲柄连杆机构动力学特性进行了仿 真研究，具体内容如下： l 、以某9 0 。夹角v 8 柴油机为背景，利用三维建模软件p r o e ，建立了啦柄连杆机 构的三维参数化模型，在此基础上完成了该柴油机曲柄连杆机构的装配，实现 了快速自动化参数建模； 2 、利用多体动力学分析软件a d a m s e n g i n e ，建立该曲柄连杆机构的多刚体系统动 力学仿真模型，对机构中的主要细长构件进行柔性化，建立了机构的多柔体动 力学模型。对比研究了考虑部件弹性与否对机构动态性能所产生的影响； 3 、针对主轴承，建立了含油膜润滑的曲柄连杆机构动力学模型，对比分析了不同 轴承间隙条件下考虑油膜润滑条件与否对仿真结果的影响； 4 、总结得出了考虑多种影响因素的曲柄连杆机构动力学耦合仿真研究方案。 上述研究工作表明：计及部件柔性体和考虑油膜动力润滑后，激励载荷变化更加平 缓，更真实地反映了机构工作时的实际状态。因此，耦合了关键部件柔体、动压润滑条 件下的多体系统动力学建模与仿真分析的方法，是一条行之有效的技术途径，为进一步 深入开展内燃机结构动力学响应分析奠定了基础。 关键词：多体系统动力学：柴油机：曲柄连杆机构；油膜动力润滑 卡l 北大学学位论文 a b s t r a c t i ti su s e f u lt oc o r r e c t l yp r e d i c tt h en v hi no r d e rt oe n h a n c et h ee n g i n en o i s ea n d v i b r a t i o np e r f o r m a n c e ，t oc u td o w nt h ed e v e l o p m e n tt i m ea n dc o s t s ，t oi m p r o v et h ea b i l i t yo f c o m p e t i t i o no v e rt h em a r k e t m e a n w h i l e ，t h ec o r r e c te x c i t a t i o na n a l y s i si st h eb a s eo fe n g i n e n v h p r e d i t i o na n dl o w n o i s ed e s i g n t h ed e s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ek e yi s s u e si nt h ee n g i n e e x c i t a t i o n s b e c a u s et h ei n f l u e n c e so ft h ep a r t se l a s t i c i t ya n dh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nw e r en o t c o n s i d e r e di nt h et r a d i t i o n a lp a f i c l ef o r c ea n a l y s i sa n dm u l t i b o d yd y n a m i ct h e o r y , i td o e sn o t m e e tt h ed e m a n do fa c c u r a t ea n a l y s i sf o rt h ee x c i t a t i o n b a s e do nt h ei n f l u e n c e so ft h e p a r t s e l a s t i c i t ya n dl u b r i c a t i o n ，t h es h a f tm a c h a n i s md y n a m i cp e r f o r m a n c ew e r es i m u l a t e db y m u l t i b o d yd y n a m i cm e t h o d t h er e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s t ob u i l dt h ep a r a m e t e rm o d e lo ft h e9 0 ，v 8d i e s e le n g i n es h a f t ，u s i n gt h ep r o e s o f t w a r e t of u l f i l lt h ea s s e m b l yo ft h es h a f ta n dt h ef a s ta u t o m a t i cp a r a m e t e r m o d e l t ob u i l dt h es h a f tm u l t ib o d yd y n a m i cs i m u l a t i n gm o d e li na d a m s t ob u i l dt h e m u l t if l e x i b l eb o d yd y n a m i cm o d e l ，f o c u s e do nt h em a i ns l e n d e rm e m b e r t h e i n f l u e n c e so fp a r t s e l a s t i c i t ya r er e s e a r c h e d t oe s t a b l i s ht h ec r a n kl i n k a g em e c h a n i s md y n a m i cm o d e lw h i c hc o n s i d e r st h eo i l f i l ml u b r i c a t i o n ，f o c u s e do nt h em a i nb e a r i n g t oc o m p a r et h er e s u l t so ft h et w o d i f f e r e n tm o d e l su n d e rd i f f e r e n tb e a r i n gc l e a r a n c e s 4 。t o a c q u i r et h es i m u l a t i n gr e s u l t so f c r a n k l i n k a g em e c h a n i s m ，c o n s i d e r i n gv a r i o u s e f f e c t s t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ei n c e n t i v el o a d sc h a n g em o r eg e n t l ea n dm o r er e a lr e f l e c tt h e s t a t u so fm e c h a n i s mw o r k i n g s o ，t h em u l t is y s t e md y n a m i cm o d e la n ds i m u l a t i o ni sa l l e f f e c t i v em e t h o dw h i c hc o u p l e st h em a i np a r t s f l e x i b i l i t ya n dl u b r i c a t i o n i te s t a b i s h st h e f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e re n g i n es t r u c t u r a ld y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s 中北大学学位论文 k e y w o r d s ：m u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c s ；d i e s e le n g i n e ；c r a n ka n dc o n n e c t i n gr o d m e c h a n i s m ：o i lf i l mh y d r o k i n e t i c s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 王旦丸 日期： 伊d 否、v 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阕；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：t p 知日期：秒。莎厂_ 导师签名：日期：! _ 莎b 2 - 中北大学学位论文 1 1 论文的研究背景与意义 1 绪论 振动、噪声已经成为内燃机设计的一个重要指标，是否具有良好的振声性能已是决 定内燃机能否被市场接受的重要条件。曲轴系统的动力学分析在内燃机设计中具有关键 性的作用i l 】1 2 1 。曲轴在活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用下产生强烈的振动，并 通过主轴承把能量传递给机体，产生辐射噪声。曲轴的扭转振动不仅影响自身的强度和 可靠性，并使齿轮正时发生变化而影响发动机的性能，而且对内燃机整体的振动和噪 声特性也有重要的影响。 现代设计方法是降低内燃机振动噪声、提高其综合设计水平的根本途径。内燃机的 噪声级取决于它的设计和制造水平，而首先是设计水平。用传统的经验、试凑和静态的 设计方法很难在资金、时间受激烈市场竞争限制下保证低噪声内燃机的设计。利用计算 机虚拟设计手段，进行曲轴系为主的发动机运动件系统的多体系统动力学仿真分析不 仅可以掌握发动机的主要机械载荷分布情况，为机体和其他固定件的分析提供依据， 而且对于在设计阶段进行内燃机振动噪声预测和低噪声设计具有重要的意义。 所以本文的目的就是综合运用c a d 建模、有限元分析以及机械系统仿真等技术，建 立包括曲轴柔性体以及随曲轴一起转动的零件刚性体在内的整个曲轴系的模型，计算 零件间的相互作用，分析曲轴的动态变形，预测其动态特性，并通过改变其工作过程中 的一些条件和因素，引入被往往被人们忽略的油膜力对曲轴系进行动态仿真，进行摩擦 学与系统动力学的耦合分析，使我们能够准确的预测其动态特性，为提高发动机结构的 刚度和强度提供理论基础。 迄今为止，国内外对曲轴振动问题和轴承润滑问题的研究都是在两个完全不同的 领域里分别进行的，目前很少见到有关这两个问题耦合研究的报道。内燃机的活塞组 件、连杆组件、曲轴、曲轴主轴承及在它们问起动力润滑作用的润滑油膜共同构成了一 台内燃机的核心动力部分。内燃机工作时，活塞裙部和缸套间、活塞与活塞销f a j 、连杆 两端轴承中及曲轴主轴承中的润滑油形成流体润滑油膜，在整个动力传递过程中，润滑 中北大学学位论文 油膜起着不同零件问的动力耦合作用。毫无疑问，此系统中各组成件的运动状态及动力 学性能不仅与此系统的系统动力学特性有关，而且与它们问的摩擦学动力特性有关。 因些，这一耦合问题的研究，将使曲柄连杆机构振动的研究更加符合实际，具有重 要理论研究价值和现实意义。 1 2 内燃机曲轴系多体系统动力学分析研究的概况【3 l 1 2 1 曲轴系动力学计算模型 由于曲轴系统结构和受力都比较复杂，在曲轴系动力学分析时，通常将轴系简化成 比较简单的力学模型。从已有研究报道看，用作振动计算的曲轴轴系模型可分为两类： 一类是轴系质量经离散化后集总到许多集中点的集总参数模型，另一类是轴系质量沿轴 线连续分布的分布参数模型。 ( 1 ) 集总参数模型 集总参数模型是轴系振动分析计算中早期使用的力学模型【4 一，在国内外的应用比 较广泛。这种模型将曲轴轴系离散成具有集中转动惯量的圆盘、无质量的弹性轴以及内 部阻尼和外部阻尼。其中各圆盘的转动惯量包括：曲柄的转动惯量，活塞、连杆的等效 转动惯量，传动系统、减振器、飞轮的转动惯量等。集总参数模型的优点是物理概念清 晰，使用简单，计算方便。但因该模型过于简化，当需要对曲轴系精确计算时，其精度 就显得有限。 ( 2 ) 分布参数模型 1 9 8 0 年b a r g i s 9 1 ，1 9 9 1 年李惠珍等【10 1 ，1 9 9 5 年o k a m u r a 等【l l 】在用有限元法计算曲 轴振动时，以圆截面直梁代表主轴承轴颈和曲柄销，以变截面矩形梁代表曲柄臂和配重， 得到以梁单元为基础的曲轴的框架模型。框架模型用具有规则形状的连续实体代替曲轴 的不同结构部分，并保持了曲轴原有的基本形状。因而，采用该模型进行曲轴振动分析 具有较高的计算精度。 1 9 9 2 年n a d o l s k i 12 1 ，2 0 0 0 年郝志勇掣1 3 1 采用阶梯轴模型求解内燃机曲轴轴系的扭 振问题。其中将活塞连杆机构的附加质量分配到两曲柄臂上，而将单位曲拐简化为一组 同心的阶梯轴。阶梯轴模型因具有连续的质量分布，可以考虑分布参数对轴系振动特性 中北大学学位论文 的影响，也便于采用不同的数学方法计算。和集总参数模型相比，这种方法可以有较高 的计算精度。 1 2 。2 曲轴系动力学计算方法 ( 1 ) h o l z e r 法 t o l z e ：法是轴系扭振计算的经典方法【4 引。工程上常使用由其基本原理得到的 h o l z e r 表格法或t o l l e 表格法进行手工计算，也有基于h o l z e r 法原理的数值计算方法 和相应的计算程序。这种方法在设计初期用来估算低阶扭振固有频率较为有效，具有算 法简单、便于应用等特点。但其精度较低、计算机时较长。 ( 2 ) 传递矩阵法( t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ) 传递矩阵法是分析各种振动问题常用的方法，最初由h o l z e 引入曲轴轴系的振动分 析，用来计算轴系无阻尼自由振动的固有频率。用传递矩阵法进行振动计算的优点是不 会因单元的增加而影响传递矩阵的阶次，即矩阵的维数不随系统自由度的增加而增加， 且各阶振型的计算方法完全相同。因而计算简单、编程方便，计算时所需内存少、耗用 机时短，被广泛地应用于曲轴系振动问题的分析与研究【1 4 1 7 1 。但这种方法在自由度较多 的复杂轴系时，由于传递矩阵的误差积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度 较低。 ( 3 ) 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 有限元法作为一种有效的计算手段，广泛应用于各种结构的动力计算。由于有限元 对研究对象直接进行离散处理，能较真实地反映曲轴系统的复杂形状，是目前公认的精 度最高的计算方法。但和传递矩阵法相比，存在耗时长、占用内存大、编程复杂等缺点。 1 9 7 3 年b a g e i1 3 7 1 首次将f e m 用于曲轴的动力学分析，1 9 9 1 年李惠珍等采用有限元法 成功地进行了6 1 0 2 q 汽油机越轴系统的扭振计算，1 9 9 5 年o k a m u r a 等采用有限元法计算 了曲轴的三维振动。 ( 4 ) 模态分析法( m o d a la n a l y s i sm e t h o d ) 模态分析法以系统的无阻尼振型所对应的广义坐标( 模态坐标) 替代物理坐标，利用 各阶模态的正交性条件，使方程组解耦，成为一组菲耦合的、独立的、单自由度的微分 方程，从而减少了系统的自由度，使得计算所耗机时及内存均比有限元法有显著降低， 中北大学学位论文 其计算精度也令人满意，因此被广泛应用于曲轴系统的动力学计算【1 8 2 2 1 。此外，还可与 实验研究相结合，通过实测轴系振动的传递函数，得到系统振动模态参数( 包括固有频 率、振型、阻尼、模态惯量、模态刚度等) 。 ( 5 ) 弹性波传播法( e l a s ticw a v ep r o p a g a ti o nm e t h o d ) 根据弹性波传播理论，轴系的扭转振动是由于扭转弹性波( t o r s i o n a le l a s t i cw a v e ) 沿轴向传播引起的。弹性波以行波形式沿轴线的正向和反向传播，当其中之一经反射或 延时后与另一行波相遇，若相位合适，两者将叠加成为驻波，引起扭振。该方法可以分 析连续参数分布边界、瞬态边界条件的曲轴轴系的瞬态响应、稳态响应及其它振动特性。 由于解题过程中仅要解线性方程组，因此其计算量较小，是一种精确、快速的振动分析 方法。n a d o l s k i ，郝志勇等将弹性波传播理论应用于曲轴轴系振动问题的分析。 1 2 3 曲轴动力学计算中轴承的处理方法 在活塞一连杆一曲轴的整个动力传递过程中，润滑油膜起着不同零件间的动力耦合 作用因此，系统中各组成件的运动状态及动力学性能不仅与此系统的系统动力学特性 有关，而且与它们间的摩擦学动力特性有关。以往由于计算能力有限等方面的原因，人们 都把摩擦学问题与系统动力学问题孤立起来研究。比如在进行曲轴主轴承油膜动力润滑 分析时往往把轴承( 或曲轴) 的动态外载荷作为固定输入，而在进行系统动力学分析中， 为了降低系统的计算难度、减小计算的工作量，计算时往往忽略油膜润滑的影响或把主 轴承的油膜力作简化。从简化的形式来看，大致有以下两类： ( 1 ) 定刚度弹簧 把油膜力简化为线性弹簧模型最早是 扫s t o d o l a 2 3 1 1 9 2 5 年在研究转子动力学问题时 提出的。2 0 0 0 年m o u r e l a t o s 把主轴承和机体的弹性变形统一处理成两个相互垂直方向定 刚度线性弹簧，并据此进行了考虑机体弹性变形的曲轴动力学计算。国内这方面的研究 也以线性弹簧为主，耍n 2 0 0 3 年雷宣扬等【2 4 j 在作曲轴三维振动分析时把主轴承简化为在两 个方向上刚度相同的定刚度弹簧。油膜力的线性弹簧模型，把油膜力简化为线性弹簧显 然没有反映动载荷滑动轴承的非线性特性，因此计算结果与实际情况的差异是不言而喻 的。 ( 2 ) 变刚度弹簧 4 中北大学学位论文 1 9 9 5 年m o n t a 等1 2 5 】考虑了主轴承油膜的刚度的变化，但其数据来源是1 9 8 5 年p r i e d e 等由实验得到平均油膜刚度：1 9 9 7 年k i m u r a 等，1 9 9 9 年o k a m u r a 等也将轴承油膜力处理 为变刚度弹簧，但所用的轴承刚度和阻尼系数是根据轴承的索氏( s o m m e r f e l d n u m b e r ) 查表得到的：2 0 0 1 年m o u r e l a t o s 提出根据滑动轴承r e y n o l d s 方程的有限元分析确定曲轴 主轴承在不同工作条件下刚度的方法。尽管变刚度弹簧模型比定刚度弹簧模型作了很大 改进，但两者都是在根据r e y n o l d s 方程、按轴颈位置小位移的线性假发求得的。因此， 在求解像内燃机轴承这样载荷大范围变化的滑动轴承时，仍然有较大误差。 从以上内容可以看出，在半个多世纪曲轴系统振动问题的研究中，曲轴系统振动的 计算模型和计算方法上取得了很大进展：由集总参数模型向分布参数模型过渡；求解方 法不断得到完善：对支承系统的处理，已开始把油膜载荷当作曲轴系统的组成部分，引 入到曲轴系统振动的动力学计算中。所以，精确地分析曲轴系系统的多体系统动力学特 性，还必须要把曲轴系统的多体系统动力学和油膜载荷耦合起来分析研究，才能得到科 学的、完整的动力学分析结果。 2 0 0 3 年1 1 月，浙江大学的郝志勇以曲轴有限元模型为基础，建立了包括活塞、连 杆、飞轮和减振器皮带轮在内的三维实体曲轴系统多体系统动力学仿真模型。通过进行 曲轴系统在发动机工作状态下的柔性多体系统动力学仿真计算，求出了对机体动态特 性影响最大的激励力主轴承支反力，分析结果与该柴油机在实际使用中的情况 是吻合的，并且为下一步的机体振动噪声特性计算提供了可靠的边界条件【矧。计算中还 同时进行了该柴油机曲轴的扭振特性仿真分析，并与实测的该机曲轴扭振结果作了比 较，证明仿真分析结果是可靠的。 虽然其仿真计算结果是参考样机设计参数修改模型得到的，但说明只要正确掌握 动力学仿真的基本方法，如建模、加载等，就能对1 台讵在研制中的发动机进行正确的 动力学性能仿真测试，并得到所需要的各种准确数据，为设计开发高性能内燃机提供 了强有力的技术支持。由此可见，结合有限元分析和多体系统动力学分析的曲轴系统动 力学仿真计算对于在设计阶段的内燃机结构动念特性预测和低噪声内燃机设计具有十 分重要的意义。 但是他在分析对机体动态特性影响最大的激励力主轴承支反力时，并没有考 虑油膜载荷的作用，把曲轴和主轴承直接接触，并没有考虑油膜的存在，所以其分析有 中北大学学位论文 一定的局限性。 2 0 0 6 年1 月，天津大学的张俊红、郑勇以某六缸柴油机为研究对象，运用多体系统 动力学对内燃机振动、噪声进行仿真分析。建立了高质量的有限元模型和仿真模型，用 非线性阻尼弹簧模拟运动件问的连接。通过发动机的表面振动速度来评价辐射噪声，改 进发动机的结构，增加局部刚度。对发动机两种结构的计算结果进行了比较，取得了降低 振动噪声的结果【2 7 1 。用a v l e x c i t e 软件建立仿真模型时，对曲轴一连杆轴承和主轴承 采用非线性阻尼弹簧连接。计算出了各构件的运动和相互问的作用力，并以此进行了振 动响应分析，真实的反应了曲轴系的振动情况。 2 0 0 6 年4 月，天津大学的孙少军以某直列6 缸柴油机曲轴系为研究对象，通过多体系 统动力学非线性分析的方法对该轴进行了振动研究。首先建立了曲轴等部件的有限元模 型，采用子结构的概念，对有限元模型进行模态缩减，然后运用a v l 的发动机仿真模块 e x c i t e 建立多体系统动力学仿真模型。预测轴系振动特性，将计算的扭振结果与实验结 果进行对比，计算的扭振结果与实验结果吻合性较好。并进一步研究了飞轮惯量的改变 对轴系扭振的影响。 在仿真模型中，采用了五排弹簧支承，弹簧周向均布，弹簧的阻尼刚度随轴颈的偏心 呈非线性变化。实际工作中曲轴和机体之间主轴承采用流体动力润滑方式，润滑油膜的 动力特性随着曲轴转角而变化，具有很强的非线性，对轴系和机体的振动有着重要的影 响。另外实际中油膜的非线性可导致刚性增加到1 0 0 0 倍【2 8 1 。采用此方法很好地模拟了 在实际工作状况下主轴承油膜的变化情况，为后面的扭振分析结果的真实性提供了保 证。 2 0 0 6 年4 月，北京理工大学的程颖、宋潇、孙善超以建立内燃机曲轴系统更精确的 动力学模型为目的，利用a d a m s 建立了曲轴系柔性多体系统动力学模型，并联合使用 a d a m s 和e h d ( 弹性流体动力学) 用户定义子程序建立了油膜流体动力学模型，进行了曲 轴系柔性多体系统动力学与油膜动力润滑的耦合仿真，将不计入油膜作用时的多体系统 动力学仿真结果与计入油膜作用时的耦合仿真结果进行比较。同时，得到了曲轴主轴承 轴心轨迹，并分析了入口压力、入口温度、发动机转速和负荷对轴心轨迹的影响。【2 9 】 在进行内燃机活塞一连杆一曲轴系统的柔性多体系统动力学分析中考虑了曲轴主轴 承的流体动力润滑作用，通过a d a m s 和e h d 模型用户定义子程序的联合使用，建立了曲 6 中北大学学位论文 轴系柔性多体系统动力学与油膜动力润滑的耦合模型，并进行了联合仿真多体系统 动力学与油膜动力润滑的耦合作用使零部件的动力学特性发生了较大变化，这些变化 将会对内燃机动力学特性以及某个零部件精确的疲劳寿命特性等产生影响，所以柔性 多体系统动力学与油膜动力润滑的耦合分析是必要的。多体系统动力学和油膜动力润滑 的耦合分析方法为曲轴系的振动、噪声分析研究提供了理论基础和方法。我们可以在此 基础上进一步研究曲轴系的振动和噪声。 1 3 内燃机主轴承润滑分析研究的发展概况 曲柄连杆机构是靠曲轴主轴承中油膜的支撑来运动的，所以它的运动学及其动力学 特性不仅与自身的受力状态和运动行为有关，而且与机构中轴承润滑有关。因此只有考 虑油膜的动力润滑才能更加准确的模拟曲柄连杆机构的工作过程，精确的计算出曲柄连 杆机构的运动学及动力学特性。 在1 8 8 6 年雷诺根据流体力学的基本理论，导出了流体润滑的基本方程，为现在流 体润滑理论奠定了基础。近一百多年来，随着润滑不断的发展和完善，已经成功的解决 了许多工程中的实际问题。大量的理论和实验都证明了它的正确性。基于雷诺方程所建 立的理论推动着对微小间隙流体润滑理论和构成微小间隙几何特征设计的不断发展，从 而推动着整个机械产品性能和机械行业进步。 雷诺方程产生以后，人们开始把它引入到轴承的计算、设计中来，但此时的研究都 把动载荷轴承简化为稳定载荷轴承计算，并按比压或比压与轴颈速度的乘积作为滑动轴 承的设计条件。上世纪5 0 年代后，随着计算方法的提高和流体润滑理论的发展，人们 开始进行动载荷轴承的油膜压力和轴心轨迹的研究，并且提出了很多方法，但是这些研 究都是建立在简化假设的基础之上，忽略了实际工况中的许多重要因素，如不考虑轴承 的供油特性、把轴承当作刚体、把润滑油看作是等粘度的等。显然实际上轴承的支承并 不是刚性的，以这种假设为前提的方法计算出的轴承载荷是不合理的。随着对动载荷轴 承工作性能要求的不断提高，我们在研究发动机的动态特性时需要将许多影响动载荷轴 承润滑性能的因素被引入到润滑分析中来，这样我们才能更加真实的模拟主轴承的工作 过程。 中北大学学位论文 1 3 1 国外内燃机曲轴主轴承润滑分析发展的现状b 1 1 9 8 1 年e i r o d 提出质量守恒的气穴算法，( m a s sc o n s e r v i n gc a v it a t i o na l g o r i t h m ) 该算法克服了r e y n o l d s 边界条件公在油膜破裂边界质量守恒的缺点，保证了油膜边界的 质量守恒，使得润滑分析中的流速、流量和功耗计算更加精确。 1 9 8 3 年j o n e s 在第九届里兹一里昂磨擦学会议上提出油膜历程模型( o i lf i l m h i s t o r y ) ，认为来自油孔或油槽的润滑油在轴的旋转及流体动压的共同作用下被传送到 轴承间隙，但这个过程需要花费一定的时间，因而会出现本该产生动压的某此区域因润 滑油没及时流到而没有油膜，导致实际油膜区比估算的要小，基于这种思想，润滑分析 时，需跟踪润滑油的传送过程即油膜历程，计算每一位置上轴承间隙内润滑油的填充程 度，将完全充满润滑油的区域连接起来构成油膜区，采用该模型计算的结果与实验值相 吻合，但计算速度过慢。 1 9 8 4 年g o e n k a 采用有限元法求解了有限长动载荷轴承的润滑问题，并特别研究了周 向或轴向不规则几何形状对最小油膜厚度的影响，这种方法采用较为有效的数学手段， 提高了有限长轴承润滑分析的精度，计算速度也较快。 1 9 8 5 年o h 和g o e n k a 用弹流理论求解动载荷轴承，得到了与刚性表面模型不同的两个 结论：一是存在双峰压力分布，二是在最小油膜厚度附近，膜厚出现两次收敛一发散的 变化趋势，认为这是产生双峰压力分布的原因。指出，采用弹流理论设计连杆轴承可提 高连杆轴承的疲劳寿命。该方法的缺点是计算速度过慢，因而难以作为日常设计的工具。 1 9 9 2 年p a r a n j p c 研究了润滑油剪切稀释效应对内燃机润滑性能的影响，研究表明： 对一个存在典型剪切稀释效应的非牛顿润滑油，采用非牛顿模型计算得到的功耗比牛顿 模型减少2 5 ，最小油膜厚度减d 、3 0 ，最大油膜压力增力h 1 5 ，流量增加了2 5 3 5 ，而 计算时间仅增加5 。 1 9 9 5 年r o h i t 首次获得内燃机曲轴轴承t h d 的完全数值解，分析中将轴颈视为等温 体，考虑了轴瓦温度、轴颈与润滑油膜的热效应随时间的变化关系。 1 3 2 国内内燃机曲轴主轴承润滑分析发展的现状 2 0 0 2 年何志霞吴建等【3 0 j 针对重载滑动轴承中温度对轴承润滑特性的显著影响，对 中北大学学位论文 柴油机曲轴主轴承进行了t h d 模拟计算研究，将雷诺方程，能量方程和热平衡方程结合 起来，对动载轴承动压流体润滑油膜进行了热平衡计算，并在此基础之上进行了轴心轨 迹的计算。计算结果显示出轴承的几何形状，润滑油类型和进口油温均对轴承润滑特性 有很大的影响。 2 0 0 3 年1 月，戴旭东，赵三星等1 3 1 1 通过机械系统动力学分析软件a d a m s 和自行编 写的计算流体动力润滑程序之间的连接调用，进行了系统动力学与流体动力润滑耦合作 用下的动力学分析。分析结果表明：考虑油膜动力润滑作用后缸体的动态受力峰值降低， 润滑油膜的动力耦合具有使缸体各部位受力趋于均匀化的作用。 文献在分析过程中，流体动力轴承连接的相邻构件所受的油膜力通过动态地求解油 膜动力润滑方程给出。但由于油膜润滑与系统动力学耦合计算过程中收敛的困难，在计 算曲轴主轴承的动态油膜力时忽略了曲轴在空间偏转的影响。 2 0 0 6 年1 2 月，易太连，欧阳光耀，朱石坚1 3 2 】将轴心轨迹和有限元法相结合，并以 某柴油机为例，根据轴心轨迹计算得到的结果，对轴瓦的油膜进行了有限元计算、分析 了轴瓦上相同点处油膜压力随曲轴的旋转，轴颈与连杆相对运动情况下的压力变化，为 分析轴瓦的油膜压力提供了一种新的方法，理论计算与分析的结论为分析轴承或轴瓦发 生穴蚀破坏提供了理论依据。 2 0 0 7 年2 月，王刚志，舒歌群，张家- 1 藤j - 3 3 1 考虑了实际使用因素对主轴承的润滑状 况产生的不良影响。通过对主轴承轴心轨迹和最小油膜厚度的计算分析发现，内燃机超 负荷运行时，主轴颈与轴瓦间隙过大，过热及冷机加载等因素不利于主轴承流体动力润 滑膜的形成，并加速主轴承的摩擦和磨损。但是，该文只是在基于轴承润滑角度来研究， 并没有把轴承润滑和系统动力学耦合起来进行研究分析。 2 0 0 7 年6 月，林琼，郝志勇，郭磊【3 4 】利用a d a m s 以及m a t l a b 建立了某四缸机曲轴 轴系与流体动力润滑的主轴承耦合多体动力学模型，得到了主轴承载荷、轴心轨迹及油 膜最小厚度等数据。并且把考虑油膜润滑与简化的转动约束轴承及线性轴承相比，考虑 流体动力润滑耦合作用后，轴系得到的主轴承载荷及轴心轨迹和工作规律更接近实际系 统。其是曲轴系统的主轴承转动约束采用圆柱形油膜轴承，油膜力通过求解雷诺方程得 到。该方法比较真实的反映了滑动轴承的实际工作状况。仿真得到的轴心轨迹、最小油 膜厚度及其工作舰律可作为判断轴承工作是否可靠提供重要的依据。 9 中北大学学位论文 1 4 本课题的主要研究内容 本课题主要针对曲柄连杆机构，运用多体系统动力学分析方法，借助虚拟样机仿真 软件，进行构件及整体多模型方案的分析研究，总结出相应的曲柄连杆机构多体系统动 力学建模技术和方法，并且将主轴承的油膜动压润滑引入多体系统动力学，研究多体系 统动力学和油膜载荷耦合下的蓝轴系统动态特性。具体研究内容如下： 1 ) 建立曲柄连杆机构多刚体系统动力学模型，得到曲柄连杆机构动力学特性，包 括活塞的位移、速度、加速度、活塞对缸壁的侧击力、盐轴主轴颈载荷及曲轴的输出扭 矩等。 2 1 ) 建立曲柄连杆机构的多柔体系统动力学仿真模型，分析引入柔性体后的仿真结 果，研究了刚、柔两种不同建模方式对曲柄连杆机构动力学仿真结果的影响。 3 ) 考虑油膜动压润滑，将考虑油膜载荷和不考虑油膜载荷两种情况下，分别对所 建立的模型进行动态仿真，对其动态特性进行分析，对比这两种情况下的分析结果，研 究多体系统动力学和油膜载荷耦合下的曲轴系统动态特性。 4 ) 轴心轨迹，油膜最小厚度的计算目前已经成为内燃机设计中不可缺小的内容。 本文分析了发动机转速，温度及轴承问隙对轴心轨迹，油膜最小厚度的影响，对轴承的 设计和内燃机性能分析具有十分重要的意义。 i o 中北大学学位论文 2 曲柄连杆机构多刚体系统动力学仿真 本章针对某大功率v 8 柴油机曲柄连杆机构，以a d a m s e n g i n e 为仿真平台，建立 了柴油机曲柄连杆机构的多刚体系统模型，通过仿真获得了曲柄连杆机构相应各运动件 的运动规律以及它们之间的相互作用力等。 2 1 多刚体系统动力学分析基础 2 1 1 多刚体系统动力学建模原理 通常一个多刚体系统有构件、约束、力和运动激励4 个要素。构件可以是质点，质 点系或刚体。约束通常指的是机构学中的运动副，典型的约束铰链有：球铰链、万向节 和转动副等，相邻刚体问还有一种连接方式，即用弹簧、阻尼等无质量力元件的连接( 又 称“力元 ) 。力( 矩) 有外界作用在刚体上的力( 矩) ，也有两个相邻刚体之间的力( 矩) ， 主要有重力、铰链约束反力( 矩) ，有时还要考虑摩擦力。运动激励作用在运动副上， 使它所连接的机构产生一定的运动约荆”】。 根据不同的原理，多刚体系统动力学的建模可以归纳为3 大类：第一类是利用动量 及动量矩定理的矢量力学方法，即直接从矢量形式的牛顿力学基本原理出发建立牛顿一 欧拉动力学方程，矢量力学具有几何直观性强的优点，但在处理受约束的质点系时由于 约束力的出现而显得十分繁琐；第二类是利用d a l e m b e r t 原理的分析力学方法，分析 力学是用纯粹解析的方法讨论力学问题，它特别适合于处理约束质点系；第三类是利用 g a u s s 原理的变分方法。基于以上3 种不同的出发点，目前己形成几种各具特色的研究 方法，如r o b e r s o n w i t t e n b e r g 方法、k a n e 方法、旋量方法和变分方法等。这些方法具 有共同点，都是建立一种通用的、适用于计算机解算的动力学方程。p 6 】 2 1 2a d a m s 多刚体系统动力学方程 a d a m s 多刚体系统运动微分方程是采用拉格朗日方程建立的。首先选择适当的广 义坐标对物体进行描述，对于刚体f ，采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和反映刚 体方位的欧拉角作为广义坐标： q ，= 【x ，少，z ，y ，秒，伊 ? f ，g = g ：r ，爵 t ，即每个刚体用 六个广义坐标描述。系统动力学方程是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程，适 中北大学学位论文 于用稀疏矩阵的方法高效求解。 应用拉格朗日待定乘子法，得到多刚体系统的动力学方程为： d 讲( o t y 一( 争+ 掰p + 删= 。 o ( q ，) = 0 o ( q ，口，f ) = 0 ( 2 1 ) 式中：g 为广义坐标列阵；q 为广义力列阵；p 为对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵；t 为系统能量，其中，矽( g ，f ) = 0 为完整约束方 程，o ( q ，口，) = 0 为非完整约束方程【3 粥9 1 。 2 2a d a m s ，e n g i n e 介绍 a d a m s e n g i n e 程序模块提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样 机分析前处理功能，可以迅速地建立气门机构、正时齿轮机构、曲柄连杆机构等虚拟模 型，并对模型进行分析，更好地了解该模型的动力学性能。 a d a m s e n g i n e 是通过定义子系统来建立模型的，如曲柄连杆机构子系统。e n g i n e 模块共有两个界面：标准界面( s t a n d a r di n t e r f a c e ) 和建模界面( t e m p l a t eb u i l d e r ) 。 标准界面可以利用已有模板直接进行模型分析；而建模界面可以让使用者根据需要建立 新的模板，然后导入标准界面进行分析。分析模型时，a d a m s e n g i n e 会为模型所进行 的运动学、动力学分析提供一个恰当的试验台t e s tr i g ，使用者可通过该试验台定义模 型的输入数据，如气缸爆发压力等。除此之外，使用者还可根据分析结果，快速地更改 发动机的零件和子系统参数，重新分析该模型并且估计这些改变的影响。 a d a m s e n g i n e 主要的数据文件类型包括：属性文件( p r o p e r t yf i l e ) 、模板( t e m p l a t e ) 、 子系统( s u b s y s t e m ) 和集成模型( a s s e m b l y ) 。模板与试验台、集成模型与各子系统之间采 用连接器( c o m m u n i c a t o r s ) 进行信息交换。 属性文件( p r o p e r t yf i l e ) 是a s ci i 码文件，它用于存储和创建部件模型所需的数据。 该文件为纯文本格式，可用任何文本编辑器创建或者修改。 模板( t e m p l a t e ) 是供专家用户在m s c a d a m s 模板建立器( t e m p l a t eb u i l d e r ) 使用的 参数化的模型。模板定义了模型的缺省几何数据和拓扑结构，由于模板中的部件被参数 中北大学学位论文 化定义，所以可以使用一个模板表示大量的部件。使用者可通过修改设计参数柬改变模 板的数据。模板设计参数包括硬点、参数变量及属性文件。模板提供了保持部件基本设 计前提下快速试验不同子系统的途径。 子系统( s u b s y s t e m s ) 只能在m s c a d a m s e n g i n e 的标准界面( s t a n d a r di n t e r f a c e ) 使 用，可以创建新的子系统或者读入已有的子系统。创建新的子系统时，必须调用已有的 模板，当使用已有的子系统时，系统自动读入其关联模板。子系统以模板为基础，允许 标准用户( s t a n d a r du s e r ) 改变子系统中的模板参数化数据和某些部件的定义，例如，可以 改变硬点的位置、修改参数变量等。m s c a d a m s e n g i n e 通过组装模板的基本元件生 成子系统。 集成模型( a s s e m b l y ) 是一系列子系统的装配结果。集成模型与试验台组装后，就形 成可用于m s c a d a m s s o l v e r 分析的系统模型。 连接器( c o m m u n i c a t o r s ) 是模板的关键元素，它使得装配过程中子系统、模板和试验 台间的信息交换变得非常方便。一个集成模型要求在它的子系统之间实现双向数据传 输。为提供这种双向的数据传输，m s c a d a m s e n g i n e 提供了两种类型的连接器：输 入连接器( i n p u tc o m m u n i c a t o r ) 和输出连接器( o u t p u tc o m m u n i c a t o r ) ，输入连接器从其他的 子系统或者试验台获得信息，而输出连接器是向其他的子系统或者试验台提供信息。创 建集成模型时，模板产品通过输入和输出连接器之间的四个关键匹配关系，将相关物体 连接在一起。这四个关键匹配关系有：名称( m a t c h i n gn a m e ) 、连接类型( c o m m u n i c a t o r e n t i t yc l a s s ) 、角色( m i n o rr o l e ) ) 及类型( t y p e ) 1 4 0 l 。 2 3 曲柄连杆机构多刚体系统动力学仿真模型的建立 2 3 1 曲柄连杆机构的组成与工作原理 曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴组组成。 活塞组包括活塞、活塞环和活塞销。活塞的主要是承受燃烧气体压力，并将此力通 过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转，而且活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室； 活塞坏分气环和油环两种，前者的主要是密封和传热，后者是刮除飞溅到气缸壁上的多 余的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜；活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞 中北大学学位论文 承受的力传给连杆或相反。 连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等。它将活塞承受的力传给曲轴， 并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。 曲轴组包括曲轴、平衡重曲轴扭转减振器、传动齿轮与飞轮等。曲轴是把活塞、连 杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其它辅 助装置；曲轴扭转减振器消减曲轴的扭转振动，以减小扭转振幅，减小传动机构的磨损， 提高发动机功率；飞轮如同一个能量存储器，它吸收一部分作功行程中发动机传输给曲 轴的能量，在其它三个行程中，飞轮将储存的能量释放出来补偿这三个行程所消耗的功， 从而使曲轴转速不至于降低太甚。 2 3 2 曲柄连杆机构的运动与受力分析h 卜艟1 一曲柄连杆机构运动学 气缸、活塞销、曲轴中心线位于同一平面的机构称中心 曲柄连杆机构( 如图2 3 1 ) 。它在运动时，活塞作往复 直线运动，曲柄作旋转运动，连杆作平面符合运动。 1 活塞的位移 活塞的位移x 由其上止点开始计量。如图，可见 x = ( 三+ 尺) 一r c o s c