（动力机械及工程专业论文）摇摆往复机构单缸柴油机的优化设计.pdf

摘要 多年来，众多的内燃机研究者及专家都热衷于单缸机的试验，他们试图通过 对单缸机的改进和测试来提高内燃机的性能。作者也希望通过亲手优化设计摇摆 往复机构单缸机，来改进和提高内燃机的性能。 本文主要介绍的内容如下： ( 1 ) 首先介绍了摇摆往复机构，并对现行机构中的急回现象进行了分析，明 确了本文的研究内容； ( 2 ) 通过对新型机构的运动学分析，可知摇摆往复机构具有急回机构的一般 特性。在保持活塞行程基本不变的前提下，可以得到一个新型机构的优化结果。 这一优化结果的极位夹角为1 6 。，即排气、压缩冲程的曲轴转角为1 6 4 。，排气、 压缩进展较快；进气、膨胀冲程的曲轴转角为1 9 6 。，进气、膨胀进展较慢。新 型机构的这一特性有助于改善燃烧过程的及时性，从而改善内燃机的性能。 ( 3 ) 考虑完运动时构件间存在的干涉问题后，设计了机构的各个构件。 ( 4 ) 通过对新型机构的动力学分析，可知摇摆往复机构虽然不能完全的消除 侧压力，但是它能改变内燃机的活塞拍击时刻。从而成功避开了在气缸压力的极 值附近换向的问题，新型机构的这一特性可以改善了内燃机工作的平顺性，而且 可以有效的降低活塞的敲击程度及其产生的噪音。 ( 5 ) 由于研究时间的限制，仅完成了原机实验，不可能完成包括新型机构发 动机的实验。 ( 6 ) 对论文内容进行了总结，并提出了进一步研究的设想。 关键词：摇摆往复机构动力学分析急回特性运动学分析 a b s t r a c t f o rm a n yy e a r se n g i n er e s e a r c h e r sa n dd e v e l o p m e n ts p e c i a l i s t sh a v ea p p r e c i a t e d t h eb e n e f i t so f f e r e db yp e r f o r m i n ge n g i n ed e v e l o p m e n ta n dt e s t i n go ns i n g l ec y l i n d e r e n g i n e s a u t h o rw i s hw ec o u l di m p r o v ee n g i n eb ya p p l y i n gt h er o c k i n ga n dr e c i p r o c a t i n sm e c h a n i s mt ot h es i n g l ec y l i n d e ri n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na l el i s t e dh e r e ： ( 1 ) t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h er o c k i n ga n dl e g i p r o c a t i n gm e c h a n i s ma n d a n a l y s e sq u i c kr e t u r nm e c h a n i s mi ne n g i n e t h ec h i e f r e s e a r c hc o n t e n ti si n d i c a t e d ( 2 ) t h r o u g hk i n e m a t i c sa n a l y s i s w ef i n dt h a tt h er o c k i n ga n dr e c i p r o c a t i n g m e c h a n i s mi saq u i c kr e t u r nm e c h a n i s m l a t e rw es u c c e e di nd e s i g n i n ga l lo p t i m i z e d m e c h a n i s mb yu s i n gs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , w h o s ea n g l eo f e x t r e m ep o s i t i o ni s16 。 s oi t se x h a u s ta n dc o m p r e s s i n gp r o c e s sb e c o m ef a s t e rt h a ni t si n t a k ea n de x p a n d i n g p r o c e s s t h i sc h a r a c t e r i s t i co f t h en e w t y p eo fm e c h a n i s mc a l li m p r o v ec o m b u s t i b i l i t y i ne n g i n e ( 3 ) a f t e rr e s o l v i n gt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nc o m p o n e n t sd u r i n gt h ep i s t o n sm o v e - m e n t ，w eh a v ed e s i g n e de a c hc o m p o n e n tf o rt h en e wt y p eo f m e c h a n i s m ( 4 ) t h r o u g hd y n a m i ca n a l y s i sf o rt h en e wt y p em e c h a n i s mw e c a l lg e td a t aa b o u t s l i d i n gb l o c k sp o s i t i o n , v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n df o r c e w ef i n dt h en e wt y p eo f m e c h a n i s mc a nc h a n g et h et i m eo fp i s t o ni m p i n g e m e n t t h ec y l i n d e rp r e s s u r ea tt h e t i m eo fp i s t o n i m p i n g e m e n t i ss m a l l e rt h a nt h e o r i g i n a lm e c h a n i s m s t h i s c h a r a c t e r i s t i cc a nm a k ep i s t o nm o v es m o o t h l ya n dr e d u c et h en o i s ef r o mp i s t o n i m p i n g e m e n t ( 5 ) f o rt h el i m i t a t i o no fr e s e a r c h st i m e ，w eo n l yf i n i s h e dt h ee x p e r i m e n tf o rt h e 谢g i l l a le n g i n e ( 6 ) f i n a l l y , a l lm a i nc o n c l u s i o n sa n df u r t h e rr e s e a r c hs u g g e s t i o n sa r eg i v e n k e y w o r d s ：t h er o c k i n ga n dr e c i p r o c a t i n gm e c h a n i s m ，d y n a m i ca n a l y s i s ， q u i c kr e t u r n ，k i n e m a t i c sa n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 尊佟茂 签字日期：。岁年f 月2 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：传伟或 导师签名：孝彳之秀 签字目期：2 。吐年1 月：1 日签字日期：e ，年月d 日 第一章概述 1 1 选题背景及意义 第一章概述 内燃机作为机械行业中有一百多年历史的一个非常重要的大行业在国民经 济和人们生活中发挥着十分重要的作用。但是，内燃机同时也是一个重要的噪声 来源。近年来，随着有关噪声危害的报道越来越多，对内燃机噪声的研究和控制 也将成为内燃机行业的一个重要的研究课题。人们不仅对环境问题日益重视，而 且对内燃机节能的要求也日益提高，力求改善内燃机的工作过程，以期提高内燃 机的性能越来越引起人们的重视。 许多年来，众多的内燃机研究者及专家都热衷于单缸机的试验，他们试图通 过对单缸机的改进和测试来提高内燃机的性能。a v l 还特意开发了中速单缸机 测试平台。内燃机的创新每一天都在进行，从中心曲柄连杆机构到偏心曲柄连杆 机构，再到v 形内燃机无不是发明者辛勤劳动的结果。 曲柄连杆机构在往复式内燃机中应用最为广泛，有中心曲柄连杆机构、偏心 曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。 中心曲柄连杆机构通过偏移量e ，可以减少膨胀冲程中活塞与气缸壁间的最 大侧压力，使活塞在膨胀行程和压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较 均匀。在实际内燃机中偏移量不大，所以运动学情况与中心曲柄连杆相差很小， 偏心曲柄连杆的急回特性不明显，极位夹角一般在1 5 。以内。 参考参考文献 2 8 】，对现有的一些v 形内燃机进行运动学仿真。其中表1 1 是主副连杆机构的结构参数数据，表1 2 是运动学分析的部分结果。 表1 - 1v 形内燃机主副连杆机构的结构参数 型号y r ( m m )l ( m m ) r ( m m )l ( m m ) 弘 1 2 1 5 0 l6 0 09 03 2 08 22 3 8 4 6 7 。 b k 1 0 56 0 。8 52 7 56 5 52 1 2 5 6 0 。 1 2 v 1 8 0 2 0 06 0 。1 0 03 5 09 42 5 6 6 8 5 。 1 2 v 2 4 0 1 2 6 04 5 o 1 3 05 7 01 7 53 9 5 5 4 5 o 8 v 1 6 0 1 7 09 0 o 8 53 1 08 52 2 5 9 8 。2 0 1 2 v 1 6 0 1 1 8 06 0 。9 03 2 08 52 3 5 6 8 。2 9 7 1 2 v 1 5 0 1 6 06 0 。8 03 2 08 72 3 3 6 7 o 第一章概述 表1 - 2v 形内燃机主副连杆豹数据 型号行程 v m mv m a xa m i na m “极位 ( r a m )( m m s )( m m s )( m m s 2 )( m m s 2 ) 夹角 1 2 1 5 0 l 副 1 8 6 7 1 02 3 0 8 22 1 1 3 56 0 8 e + 0 64 0 5 e + 0 65 。 1 2 1 5 0 l 主1 7 9 9 9 62 1 5 4 22 1 5 4 26 1 2 e + 0 63 4 4 e + 0 60 。 b k l 0 5 副 1 7 0 1 4 02 1 0 3 41 9 5 0 1。5 7 0 e + 0 63 5 9 e + 0 65 o b k l 0 5 主 1 6 9 9 9 62 0 5 0 32 0 5 0 35 9 0 e + 0 63 1 8 e + 0 60 o 1 2 v 1 8 0 2 0 0 副 2 0 9 6 4 02 6 0 5 82 3 6 2 66 8 2 e + 0 64 5 9 e + 0 66 。 1 2 v 1 8 0 2 0 0 主1 9 9 9 9 62 3 9 6 52 3 9 6 56 _ 8 3 e + 0 63 8 0 e + 0 6o o 1 2 v 2 4 0 2 6 0 昌0 2 7 3 9 5 73 2 9 3 83 1 3 6 08 5 6 e + 0 66 0 0 e + 0 63 。 1 2 v 2 4 0 2 6 0 主2 5 9 9 8 93 0 7 1 93 0 7 1 98 4 7 e + 0 65 3 3 e + 0 6 o o 8 v 1 6 0 1 7 0 副1 8 0 6 0 42 3 7 1 81 9 2 7 26 1 2 e + 0 6 4 4 5 e + 0 61 3 o 8 v 1 6 0 1 7 0 主1 7 02 0 3 0 82 0 3 0 85 7 5 e + 0 63 2 8 e + 0 6o o 1 2 v 1 6 0 1 8 0 昌0 1 8 8 ，5 1 82 3 3 7 62 1 2 6 36 1 1 e + 0 64 1 2 e + 0 66 。 1 2 v 1 6 0 1 8 0 主 1 7 8 0 02 1 5 4 22 1 5 4 26 1 2 e + 0 63 4 4 e + 0 6o 。 1 2 v 1 5 0 1 6 0 副1 6 6 4 5 22 0 4 2 01 8 7 1 15 2 9 e + 0 63 6 9 e + 0 65 。 1 2 v 1 5 0 1 6 0 主1 5 9 9 9 61 8 9 9 91 8 9 9 95 31 e + 0 63 1 8 e + 0 60 o 由表1 2 可知，由于急回的存在，副缸的位移、速度和加速度曲线不再关于 止点位置对称。v 形内燃机设计的极位夹角一般在3 。6 。，对于8 v 1 6 0 1 7 0 由于7 = 9 0 。，设计的极位夹角为1 3 。，相应的副缸加速度比主缸的加速度要大。 侧压力问题一直以来都是内燃机行业十分受重视的问题。内燃机在工作中侧 压力有规律地改变其作用方向，更由于活塞、缸套间存在间隙( 不可能把活塞与 气缸的配合问隙做得很小1 ，导致活塞在上、下止点附近由缸套一侧向另一侧做 横向运动，从而拍击缸套和气缸体，产生拍击噪声。活塞拍击的原始激励是交变 的侧压力，而工作间隙的存在是形成拍击的必要条件。对于直喷式柴油机，拍击 噪声和燃烧噪声都比较重要，而汽油机活塞拍击的情况并不严重。内燃机侧压力 的大小还会影响到活塞与气缸套间的摩擦功，r o g o w k i ，a r 指出活塞连杆系统的 摩擦功耗可占到整个内燃机机械损失的7 5 ，而缸套一活塞环的摩擦功耗又占活 塞连杆系统的7 5 。 通常可以通过活塞销偏置、曲轴偏置和重心偏置等方法来改变活塞拍击的时 刻，避开最大燃烧压力，使活塞的横摆分阶段逐步进行，避免了活塞销中置时的 整个突然横摆，使瞬间的过渡变成分步的过渡，改善了发动机的工作平顺性，有 利于减弱活塞的拍击噪声。 第一章概述 针对内燃机的侧压力问题，国内外学者发明了很多新型机构，如佳木斯大学 的王宇等人在s 1 9 5 型柴油机基础上开发了大偏心双曲柄柴油机s l g l 9 5 ，由于 消除了侧向力问题，单缸柴油机不再需要平衡机构，设计的极位夹角为2 2 4 。 西安电子科技大学的李团结等人通过肘对称双曲柄齿轮五杆机构的研究，介绍了 变行程的活塞机、无侧压力的活塞机。 摇摆往复机构可以减小侧压力，且能改变内燃机的活塞拍击时刻，即避开了 最大燃烧压力，从而改善了内燃机工作的平顺性，减弱了活塞的拍击噪声。通常 在设计摇摆往复机构时想通过限制上连杆的摆角范围米降低侧压力的数值，而能 否真正降低活塞的摩擦功有待进一步的分析。 由于机构的不对称性，摇摆往复机构具有急回机构的一般特性，存在正向急 回区和反向急回区，所以在设计内燃机时，必须使最优化结果落在正向急回区， 使排气、压缩过程快，进气、膨胀过程慢，因为只有这样才有可能改善内燃机的 燃烧性能，从而降低油耗，提高内燃机的经济性能。反之，落在反向急回区，排 气、压缩过程慢，进气、膨胀过程快，反而会恶化内燃机的燃烧性能。 1 2 本论文的主要内容 本课题需要解决的主要技术问题有： 如何优化摇摆往复机构新型柴油机的设计；新型柴油机的动力学伯真：原机 和新型机构的比较实验。 所以，本论文的主要内容做如下安排： 1 、第一章介绍了选题背景及意义，并对现行机构中的急回现象进行了分析， 明确了本文的研究内容。 2 、第二章对新型机构进行运动学分析，解决如何优化摇摆往复机构的问题。 新型柴油机原则上讲，只是对机构中的个点进行了优化，要快速并全而地 对摇摆往复机构进行优化必需要借助动力学仿真软件a d a m s 和二维绘图软件 a u t o c a d 的帮助。因为，摇摆往复机构存在两个角度变量和两个点坐标变量， 采用传统的设计方法是很难对新型机构进行优化分析的。假如我们在新型 z h s l l l 0 柴油机上获得了成功，那么就可以将摇摆往复机构应用于其它机型，那 时候必然会存在更多的机构优化问题。 3 、第三章介绍新型柴油机的构件设计。 新型柴油机是在原机基础上建立起来的，在设计各构件时必须考虑运转时的 干涉问题。r 涉问题的解决还是需要能够熟练掌握a u t o c a d 软件，并适当的运 用动力学仿真软件a d a m s 。在零件设计时，必须同时考虑零件的加工工艺及安 用动力学仿真软件a d a m s 。在零件设计时，必须同时考虑零件的加工工艺及安 第一章概述 装过程，尽可能采用原机的构件，并参考原机零件的设计方法以弥补自身设计经 验( 特别是内燃机零件) 不足的弊端。 由于机构特性的改变，不得不对原机的重要零件凸轮轴进行重新设计， 在重新设计过程中，必须保证原机配气机构的其他零件还能继续使用。 4 、第四章对新型柴油机进行动力学仿真，解决构件的强度问题。 用传统的动力学分析方法很难对复杂的摇摆往复机构进行全面的动力学分 析，必须应用先进的动力学仿真软件a d a m s ，才能既快速、方便又全面地对该 类型机构进行动力学分析。而该软件在做受力分析之前，必须要有具体零件的三 维模型，以便确定具体零件的重量、质心和转动惯量。所以，在做动力学仿真时 需要有一定的绘制p r o e 三维模型的能力。 5 、第五章是原机实验的部分结果及其分析。 新型机构是否真的像在理论分析中那样能取得比较好的燃烧性能，这必须经 过实验来证明。也就是必须对机构改进前后的性能变化进行比较，从而确定机构 是否真的可行。这实验需要有一定的动手能力，和一个性能实验平台，需要在进 行完原机实验后，迸行柴油机的拆卸和重新装配，这项工作工作量比较大，需要 有原机厂家的技术支持和装配工具。 由于研究时间的限制，仅完成了原机实验，新型机构的实验还未完成。 6 、第六章对论文内容进行了总结，并提出了进一步研究的设想。 第二章机构定型 第二章机构定型 z h s l l l o 是卧式单缸四冲程柴油机，气缸直径1 1 0 m m ，活塞行程1 1 5 m m 。 配气定时：排气下死点前5 5 。开，上死点后1 2 。关；进气上死点前1 2 。开，下 死点后3 8 。关。供油提前角：2 0 。2 4 。，额定功率：1 2 小时，1 3 2 k w 2 2 0 0 r m i n ； 1 小时，1 4 7 k w 2 2 0 0 r r a i n 。压缩比= 1 7 ，燃油消耗率2 3 8 9 k w h ，手摇起动， 采用水冷，压力飞溅式润滑和直接喷射式燃烧室，排量1 0 3 9 l 。z h s l l l 0 柴油 机的活塞销与连杆衬套间隙配合：0 0 2 5 0 0 4 8 m m ，曲轴连杆轴颈与连杆轴瓦间 隙配合：0 0 6 o 1 0 4 m m 。连杆比五= r 三= 5 7 5 1 8 5 = 0 3 1 0 8 。 y 片、 盐 。h - n“觑i 、 r l 二 专孓、帝醪 勺 一 h 土 f _ v ，哪 书泌亟_ i 、a 誊 。攀i 渺 图2 - 1 机构比较简图 新型z h s l l l 0 柴油机是摇摆往复 机构在原z h s l l l 0 柴油机上的应用。 原机z h s l l l 0 的结构如图2 - 1 r a ) 所示， 曲柄a b = 5 7 5 m m ，连杆b e = 1 8 5 m m 。 新型z h s l1 1 0 的结构如图2 1 r b ) 所示， 该机构增加了摆杆f d ，原连杆b e 由 下连杆b c 和上连杆c d e 共同来代替， 上连杆c d e 和摆杆f d 通过点d 连接 在一起。新型机构曲柄a b = 5 7 5 m m ， f 点支撑设在原凸轮轴的中心线上，原 凸轮轴中心线距离曲轴中心线的尺寸 j = 8 5 2 2 m m 、g = 9 9 5 m m 。图示位置活 塞处于上止点，在图上可以发现设计新 型机构共有四个变量：初始角度a t o 和a 2 0 ，d 点的初始位置n 和协。新型机构 的自由度计算：f = 3 5 ( 5 个活动构件) - - 2 7 ( 6 个转动副，1 个移动副) = 1 ，即 只有设置一个原动机，该机构就是具有确定运动的机构。 摇摆往复机构是个五杆机构，机构的复杂程度势必会影响研究的难易程度， 用传统的运动学方法数学建模、设参数、列方程、编程求解、绘图比较 进行机构的运动学分析需要花费很长时间，而使用机械系统动力学仿真软件则可 以很方便的得到位移、速度和加速度比较曲线，便于进行机构的优化。下面将利 用动力学仿真软件a d a m s 具体介绍各个变量对机构设计的影响，并在保持压缩 比基本不变的情况下确定了各个变量的一个优化结果，以便进行构件设计。 第二章机构定型 2 1 传统设计方法建模 平面机构运动学分析的方法很多，其中，图解法是最原始的，不过精度不高： 解析法就是把机构中己知的尺寸参数和运动变量与未知的运动变量之间的关系 用数学表达式表达出来，然后进行求解：电算法则是借助计算机编程来实现和简 化解析法。不过，后两者都必须建立机构的数学模型。 图2 2 数学建模的直角坐标系 参考参考文献 2 】中 直角坐标系的设立方式 及位置角的设立方式， 根据新型机构模型，可 以建立如图2 2 所示的 数学模型。参照参考文 献 2 】中平面向量的复数 坐标表示法，对新型机 构进行运动学分析。在 图示的直角坐标系中， 可以找到两个封闭的向量多边形a b c e a 和向量多边形a y f d e a ，于是可得： 厶月p 艋1 + b ( 七心2 = ) f e e 加+ 妇垃3 公式( 2 1 ) 2 + 以”+ l o p e “= 皿矿+ z 咄“8 5 公式( 2 2 ) 其中：a l 为自变量，a 2 、a 3 、a 4 为中间变量，、如c 、如、k 、k 、 口5 、j 、g 、h 为常量，皿为未知量，初始值皿o _ h = 2 4 2 5 m m 。由公式( 2 1 ) 、 公式( 2 - 2 ) 的实部和虚部分别相等可得： i a z q c o s o t l - i - b c c o s a 2 = 盟+ i c e c o s a 3 公式( 2 - 3 ) ks i l l 口1 + h i c s i n a 2 = i c e s i n c t 3 公式( 2 _ 4 ) ，+ i d e c o s f z 4 = 爿；+ l o e c o s ( a 3 + o r 5 )公式( 2 5 ) g + i d f s i n 。t 4 = i e s i n ( a 3 + 瑾5 )公式( 2 6 ) 联立公式( 2 3 ) 和公式( 2 4 ) ，消去中间变量口2 ，得到 f x e + l c ；c o s o ：3 一a 口c o s a l ) 2 + ( c e s i n a 3 一厶口s i n a i ) 2 = k 2 联立公式( 2 - 5 ) 和公式( 2 - 6 ) ，消去中间变量口4 ，得到 皿+ k c o s 心3 + 甜5 ) 一t ，】2 + 陋s i n ( a 3 + z 5 ) 一g 】2 = i d f 2 公式( 2 7 ) 公式( 2 8 ) 第二章机构定型 如果联立公式( 2 7 ) 和公式( 2 8 ) 能将中间变量岱3 消去，就能得到瑟关于自变 量口1 的位移方程。然后，参照参考文献 2 】上的例子就能得到皿的速度和加速度 方程，接着就可以进行编程计算了。但是皿关于自变量岱1 的位移方程很难得到， 这为进一步的速度、加速度分析增加了难度。 由于传统设计方法很难快速的解决摇摆往复机构的运动学分析问题，所以必 须寻求另外一种解决方案。仿真技术就是用模型来模仿实际系统进行实验和研 究，近年来它被越来越广泛的应用于研究领域。虚拟样机技术就是其中的一种， 而a d a m s 是一种动力学仿真分析软件，是虚拟样机技术的典范。它通过友好的 图形用户界面，可以直观地进行仿真建模，并且不需要复杂的数学建模。 2 2 虚拟样机建模 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是2 0 世纪8 0 年 代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e ) 技术。它 可以大大简化机械产品的设计开发过程，缩短产品开发周期，减少产品开发费用 和成本，并能明显提高产品质量和性能，获得最优化和创新的设计产品。 2 2 1a d a m s 虚拟样机建模 在机械系统设计中有3 种性质不同的分析： 1 、机械系统的静力学假设机械系统是个刚性系统，系统中各个构件间没 有相对运动。 2 、机械系统的运动学分析运动学分析中，主要是通过求解位置的非线形方 程组和速度、加速度方程组来确定构件的位置、速度和加速度与时间的关系。运 动学分析与受力无关。 3 、机械系统的动力学分析动力学分析中，各构件存在相对运动，并且是有 质量、有质心的构件。 在毕业设计中，用运动学分析进行机构的优化设计，用静力学分析和动力学 分析为机构的强度校和提供分析数据。机械系统动力学自动分析软件a d a m s ， 全称为a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ，是美国m d i 公司 ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c 1 开发的非常著名的虚拟样机分析软件。在毕业设计中 所应用的是w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下的a d a m s l 2 0 版本，为了便于a d a m s 的运动学分析还应用了计算机辅助设计软件a u t o c a d ，为了便于a d a m s 的动 力学分析还应用了三维建模软件p r o e 。 第二章机构定型 机构定型阶段仅对摇摆往复机构进行运动学分析，对力不做进一步的分析。 采用图2 一l 所示的坐标，可以测量各个节点的坐标，还能确定活塞位置及气缸套 的极限位置。于是便可以进行机构的几何建模了，新型机构的几何建模步骤如下： 1 、新建一个a d a m s 文件，进行建模的环境设置，采用m m k s 系统( m m ， k g ，n ，s e c ，d e g ，h ) ； 2 、定义6 个连接点和6 个辅助设计点，具体参数见表2 - 1 ； 表2 - i 定义连接点及其坐标 坐标点变量名 xyz 说明 a p 0 呵t6 2 4 2 500 连杆a b bp o b 、t41 8 5 1 54 9 10 连杆a b 、连杆b c cp o i n t27 0 6 61 4 9 9 0 连杆b c 、圆角多边形板c d e dp o 町t37 4 3 21 4 7 4 0 连杆d f 、圆角多边形板c d e e p o 【n t1 000 圆角多边形板c d e fp o d q t51 5 7 2 89 9 5o 连杆d f 辅助点 p o 町t74 55 5o 滑块e 辅助点 p o i n t84 55 50 滑块e 辅助点 p o i n t1 57 06 2 o 气缸套上壁仿真滑块 ，辅助点 p o i n t1 71 4 2 4 2 5 5 o 气缸套上壁仿真滑块 辅助点 p o i n t1 67 05 5o 气缸套下壁仿真滑块 辅助点 p o i n t1 81 4 2 4 26 2o 气缸套下壁仿真滑块 3 、新型机构的各个构件均选用a d a m s l 2 0 界面上的简易构件，参照表2 - 1 分别选用连杆a b 、b c 和f d ，圆角多边形板c d e ，滑块e 和两个辅助滑块进行 几何建模，这样便完成了对新型柴油机的实体建模。 4 、由于a d a m s 采用多体动力学方法处理模型和求解，因此在完成机构实 体模型后，必须根据新型柴油机的结构原理定义机构各个零件的连接方式。下面 按图2 - 1 上的标记依次说明各点的连接方式： a 点杆a b 与地面的铰接副，只允许曲轴a b 绕自身轴线转动； b 点杆a b 与杆b c 的铰接副，曲轴a b 与下连杆b c 可绕点b 转动； c 点杆b c 与圆角多边形板c d e 的铰接副，下连杆b c 与上连杆c d e 可绕点c 转动； d 点杆f d 与圆角多边形板c d e 的铰接副，摆杆d f 与上连杆c d e 可 绕点d 转动； e 点寸骨块e 与圆角多边形板c d e 的铰接副，活塞e 与上连杆c d e 可绕 点e 转动： e 点滑块e 与地面的棱柱副，方向沿e a 的轴线，活塞e 可在e a 的轴 第二章机构定型 线方向移动； f 点杆f d 与地面的铰接副，只允许摆杆f d 绕凸轮轴轴线转动。 5 、在曲轴与地面的铰接副上定义运动源( 旋转运动) ，原柴油机的标定转速 为2 2 0 0 r r a i n ，所以运动源仿真转速设为- - 2 2 0 0 3 6 0 。6 0 s = 一1 3 2 0 0 。s 。 定义完仿真时间t = 6 0 2 2 0 0 s = o 0 2 7 2 7 2 7 s ，并取s t e p s = 3 6 0 后，就可以进 行模拟新型柴油机的实际运转状况了，图2 - 3 就是新型柴油机的虚拟样机。 图2 - 3 新型机构的虚拟样机 2 2 2 虚拟样机仿真结果 摇摆往复机构在设计时共有四个变量：初始角度口- o 和a z o ，d 点的初始位置 坐标d x 和d v 。通过改变这四个参数，便可以对新型机构进行优化，所以确定参 数与运动性能的关系是虚拟样机仿真的主要目的。为了实现这一目的，需要参数 化新型柴油机的虚拟样机。具体做法是：将点c 、点d 、点b 参数化，即分别设 c ( d vl ，d v2 ) 、d ( d v3 ，d v4 ) 和b ( d v5 ，d v6 ) 。根据不同的参数可以做 相应的a u t o c a d 图( 可以得到相应连接点的坐标值) ，然后通过修改d v1 - d v6 的取值( 可在如图2 - 4 所示的界面内完成) 来改变机构的参数，最后再进行仿真。 图2 - 4 新型机构参数化方法 第二章机构定型 原机连杆的摆动范围为一1 8 1 。1 8 1 0 ，所以，新型机构初始角度o 的取 值最好在一1 3 。一l o 。范围内。通过a u t o c a d 的机构简图，再利用参数化的 虚拟样机可以得到表2 2 。从表上可知，随甜1 0 变大活塞e 的加速度极值增大较 快，极位夹角的变大也较明显，而压缩比的增加不是很明显，但摆杆和活塞问的 干涉情况会减轻。上连杆总摆动范围基本在2 2 。左右，其中上连杆摆角口一的正 极值会影响摆杆与气缸套的干涉情况，摆角翻的正极值越大摆杆和气缸套的干 涉也越严重，这一结论可以通过做机构的简易装配图( 第三章) 得到。 表2 - 2 初始角度t z l o 的影响 口l n 行程( m m ) 压缩比a m “( m i n s 2 )上连杆摆角口-极位夹角 1 0 o 1 1 6 8 4 4 51 7 2 5 76 _ 3 2 e + 0 6 1 0 。- 1 2 1 。2 3 。 一1 1 o 1 1 5 6 4 4 51 7 0 95 5 9 e + 0 6 。1 1 。1 1 1 。1 9 。 1 2 o 1 1 4 7 5 7 31 6 9 6 65 1 3 e + 0 6 1 2 。1 0 ，。 1 6 o 1 3 。1 1 4 0 0 5 41 6 8 6 24 81 e + 0 6 1 3 。- 0 9 2 。 1 3 。 口1 0d v1d v2 a m i n ( r r u n s 2 )v m “( m m s )v m i n f r o m s ) 1 0 。 8 0 3 51 4 1 95 5 5 e + 0 61 3 0 6 82 1 8 5 6 1 1 6 7 5 2 11 4 6 44 6 0 e + 0 61 3 0 8 3- 2 0 1 3 7 1 2 。 7 0 6 61 4 9 93 9 9 e + 0 61 3 0 9 8一1 8 9 5 2 1 3 。 6 6 5 91 5 3 93 5 8 e + 0 61 3 1 0 61 8 0 6 4 初始角5 2 0 不能取得太小，不然上连杆不好加工，一般在4 。6 。范围内。 初始角t 3 r 2 0 也不能取得太大，因为这样会限制上连杆宽度方向的设计，会对连杆 销的设计及其固定方式选择增加难度。表2 - 3 是关于o f 2 0 的虚拟样机仿真结果， 其中初始角度晓，o = 一1 2 。从表上可知，初始角6 t 2 0 对行程影响很小，随口：o 增 大新型机构的极位夹角和加速度极值增幅较大。 表2 - 3 初始角度5 2 0 的影响 口加 行程( r a m )压缩比 a m a x ( m m s 2 )a m i n ( m m s 2 )极位夹角 4 。 11 4 5 4 0 91 6 9 3 64 6 2 e + 0 6 3 2 5 e + 0 6 1 2 o 5 。 “4 7 5 7 31 6 9 6 65 1 3 e + 0 6 3 9 9 e + 0 61 6 o 6 。 1 1 4 8 3 41 6 9 7 75 8 6 e + 0 6 5 0 9 e + 0 62 1 。 d v1d v2d v5d v6 v m x ( m m s ) v m i n ( m m s ) 5 9 9 81 2 7 61 8 5 1 44 o l1 3 2 4 61 7 4 4 0 7 0 6 61 4 9 91 8 5 1 54 9 11 3 0 9 8 1 8 9 5 2 8 0 1 81 7 0 61 8 5 3 1，6 o l1 2 9 1 22 0 8 3 0 同理，点d 的坐标d 。和d y 对机构性能的影响也可以获得。其中，d ，对机 构行程影响很小，不过适当的选取d ，可以减少上连杆和气缸套间的干涉问题。 第二章机构定型 当d ；沿着x 轴方向右移时，新型机构的行程经历了由大变小、然后再变大的过 程，极位夹角也由正向急回转为反向急回，如表2 - 4 所示。反向急回对内燃机而 占是没有好处的，而且有可能恶化内燃机的燃烧过程。 表2 - 4 d 点坐标的影响 d v3行程( m m )压缩比上连杆摆角o t l极位夹角 7 01 1 7 3 1 5 41 7 3 2 2 1 2 。1 4 4 。2 2 。 7 4 3 2l1 4 7 5 7 31 6 9 6 6 1 2 。1 0 2 。1 6 。 7 4 3 2 l1 4 8 7 5 l1 6 9 8 3 1 2 。1 0 7 。1 6 。 7 4 3 2 l1 4 6 2 9 51 6 9 4 8 1 2 。 9 6 4 。1 5 。 7 4 _ 3 2 1 1 4 3 9 9 61 6 9 1 6 1 2 。8 6 8 。1 5 。 8 01 1 3 1 6 5 71 6 7 4 5 1 2 。5 7 7 o 9 。 8 511 2 9 1 6 l1 6 7 1 0 一1 2o 屯6 2 o 4 。 9 01 1 3 4 9 9 91 6 7 9 1 1 2 。o 0 1 。一1 。 9 5 1 1 4 8 2 8 0 1 6 9 7 6 。1 o ，3 。 一6 。 d v4 a m 。( m m s 2 )a m m ( m m s 2 )v 。“( m m s ) v 。( m m s ) 1 4 7 4 5 5 9 e + 0 64 8 8 e + 0 6 1 3 0 0 42 0 6 8 0 1 4 7 45 1 3 e + 0 64 0 0 e + 0 61 3 0 9 81 8 9 5 2 1 05 3 3 e + 0 64 0 6 e + 0 61 3 1 2 5 1 9 2 0 4 2 04 9 5 e + 0 63 9 2 e + 0 61 3 0 7 71 8 6 8 5 3 04 6 9 e + 0 63 7 8 e + 0 61 3 0 6 31 8 2 1 4 1 4 7 4 4 7 9 e + 0 6 3 2 8 e + 0 61 3 3 2 51 7 4 7 2 1 4 7 4 4 5 9 e + 0 6 2 8 6 e + 0 61 3 6 0 0，1 6 5 8 2 1 4 7 44 4 8 e + 0 62 5 5 e + 0 61 3 9 3 9，1 5 9 2 8 1 4 7 44 4 2 e + 0 62 8 l e + 0 61 4 3 4 11 5 4 3 1 2 3 新机与原机运动特性的比较 在保持压缩比基本不变的情况下，综合考虑活塞的加速度极值，机构的极位 夹角，上连杆摆角口- 的摆动范围，点c 和点d 销孔的加工情况以及机构的干涉 情况等因素，最终确定初始角度a - o = 一1 2 。、初始角度0 2 0 - - - - 5 。、d 。= 7 4 3 2 、 d 。= 1 4 7 4 作为新型z h s l l l o 机构的设计方案。 通过做a u t o c a d 的机构简图，可确定各杆件的长度： 厶日= 5 7 5 m m ，如c = 1 1 5 m m ，i o f = 1 4 1 1 8 5 r a m ，l c o = 3 0 r a m ，k = 7 5 7 6 7 m m ， l c e = 7 2 2 3 8 m m 。 同建立新型机构虚拟样机的步骤一样，可以对原机进行虚拟样机仿真。只要 虚拟样机坐标设置相同，仿真参数设置相同，进行仿真后就能和新型机构的位移、 速度和加速度进行比较，图2 5 是a d a m s 环境下的原机虚拟样机。 第二章机构定型 图2 - 5 原机的虚拟样机 通过追加对原机的虚拟样机仿真可以得到表2 5 的比较数据，由于机构的急 回特性，新型机构的加速度极值都要比原机的要大。 表2 5 新型机构和原机的比较 v m “( m m s )v m i n ( m m s ) a 。( m m s 2 ) a m a x ( m m s 2 ) 新型机构1 3 0 9 81 8 9 5 2 4 0 0 e + 0 65 1 3 e + 0 6 原机 1 3 8 7 71 3 8 7 72 1 4 9 e + 0 64 0 0 e + 0 6 行程( m m l 压缩比极位夹角 摆角a 1 新型机构 1 1 4 7 5 7 31 6 9 6 6 1 6 。一1 2 。1 0 2 。 原机 1 1 5 1 7 o 。1 8 1 。1 8 1 。 图2 - 6 图2 8 分别是新型机构与原机的位移、速度和加速度比较曲线。 由于摆杆f d 的存在，使新型机构的排气、压缩过程进展较快：进气、膨胀 14 0 12 0 1 d 0 8 0 e 喜b 0 山 4 0 2 0 0 05 d10 01 5 02 0 1 32 5 03 0 03 5 0 c a ( ) 图2 - 6 位移比较曲线 过程进展较慢。这将有利于 降低压缩过程的传热损失， 有助于改善燃烧过程的及时 性，减少时间损失，为提高 单缸柴油机的性能提供了保 障。其中，进气时间的变长 有益于提高充气系数及燃料 的燃烧完善程度，对于同样 大小的气缸容积在相同的进 气状态和燃烧条件下，可获 得更多的有用功。 第二章机构定型 1 5 0 0 d 10 0 0 0 5 0 0 0 o5 01 0 0 15 0c 霹o ) 2 5 0 姗3 5 0 图2 7 速度比较曲线 在a d a m s 动态仿真中 也可以发现活塞在下止点附 近是大曲轴转角、小位移， 这有利于过后进气和自由排 气，即空气进的更充分，废 气排的更完全。 由速度比较曲线可知： 在进气阶段，由于活塞运动 速度的降低，使气流流经气 门时的流动阻力减少，即使 节流损失减少。膨胀过程中 活塞运动缓慢，改善了燃烧过程的及时