（机械电子工程专业论文）车用空压机曲轴连杆机构的动力学分析与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 曲轴是活塞式压缩机的关键部件之一，在压缩机工作过程中承受复杂、交 变的动态载荷，从而使曲轴有着复杂的动态特性，其动态特性的好坏直接影响 压缩机整机的可靠性和寿命等，因此对曲轴的动态特性进行理论和实际的研究 分析具有重要的现实意义。传统的设计、分析方法的简化难以满足企业的需要， 而多体动力学和有限元法的发展使得较精确的分析曲轴动力学响应问题成为可 能。 本文以e q l1 4 1 g 型车用空压机为研究对象。首先，分析了压缩机曲柄连杆 机构的运动规律，并采用m a t l a b 程序设计语言实现曲轴连杆机构的运动学仿真， 得到了压缩机活塞位移与曲轴转角的一一对应关系，便于计算压缩机各工作过 程端点的活塞位移值，从而迅速地确定对应时刻的曲轴转角值。 其次，在分析压缩机曲轴连杆机构拓扑构型的基础上，采用多体动力学仿 真软件a d a m s 分别建立曲轴连杆机构的多刚体动力学模型和多柔体动力学模型， 通过对比两种模型的仿真分析结果得知，曲柄连杆机构中与曲轴弹性体不发生 相互作用的刚性部件之间以及连杆小头和活塞销之间的相互作用关系用两种模 型都可以得出比较准确的分析结果；而曲轴和轴承之间的相互作用只有多柔体 动力学模型能够给出合理且相对准确的分析结果。 最后，通过采用多柔体模型进行仿真分析得到的作用在曲轴轴颈及曲柄销 上的动态载荷作为曲轴动态响应分析的边界条件，运用有限元分析软件a n s y s 对曲轴进行较为精确的应力、变形分析，以获得曲轴在整个工作行程中的动态 响应，从而可以方便的找到曲轴工作时的危险部位，为曲轴优化提供理论基础。 研究结果表明，利用虚拟样机技术和有限元法相结合的手段可以获得较高 精度的曲轴动力学响应分析结果，同时对于压缩机曲轴的改进设计，提高压缩 机设计水平及提高压缩机整机性能有重要意义，是既经济又高效的科学化手段。 关键词：曲轴，动力学仿真，模态分析，动力响应 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fp i s t o nc o m p r e s s o r , w h i c he n d u r e s c o m p l e xa n da l t e r n a t i n gl o a d ，s oi th a sc o m p l e xd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di m p a c t s c o m p r e s s o r sr e l i a b i l i t y a n dl i f e d i r e c t l y t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oa n a l y z et h ec r a n k s h a f tf r o mt h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lp o i n to fv i e w t h es i m p l i f i e dm e t h o do ft r a d i t i o n a ld e s i g na n da n a l y s i sc a n tm e e tt h ec o r p o r a t i o n s n e e d s ，w h i l et h ed e v e l o p m e n to ft h em u l t i b o d yd y n a m i c sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d m a k e si ti sp o s s i b l et oa n a l y s i st h ec r a n k s h a f td y n a m i c sr e s p o n s em o r e a c c u r a t e l y i nt h i st h e s i s ，t h ee qll41ga u t o m o t i v ea i rc o m p r e s s o rw a sa d o p t e da st h e r e s e a r c h e do b j e c t f i r s t l y , t h em o v e m e n tl a wo fc r a n k r o dw a si n t r o d u c e d i t s k i n e m a t i c ss i m u l a t i o nw a sr e a l i z e db yu s i n gt h em a t l a bc o m p i l ec a l c u l a t e d p r o g r a ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e np i s t o n sd i s p l a c e m e n ta n dc r a n k s a n g l eo fr o t a t i o nw a so b t a i n e d ，w h i c hi sc o n v e n i e n tf o rc a l c u l a t i n gt h ep i s t o n s d i s p l a c e m e n to fe a c he n d p o i n ti nt h ec o m p r e s s o r sw o r k i n gp r o c e s s ，s ow ec a nf i n d t h ec o r r e s p o n d i n gc r a n ka n g l ei nn ot i m e s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gc r a n k r o d st o p o l o g ys t r u c t u r e ，t h em o d e l so f m u l t i - r i g i d - - b o d yd y n a m i c s a n d m u l t i - f l e x i b l e - - b o d yd y n a m i c s w e r e d e v e l o p e d r e s p e c t i v e l yb yu s i n gt h es o f t w a r ea d a m s c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e t w om o d e l s ，w ec a nk n o wt h a tr e l a t i v e l ya c c u r a t ea n a l y t i c a lr e s u l t sc a nb ep r o v i d e d f o rt h ei n t e r a c t i o nr e l a t i o na m o n gr i g i dp a r t si nt h ec r a n k - r o dm e c h a n i s ma n dt h e i n t e r a c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nt h ep i s t o np i ne n da n dt h ep i s t o np i nb yt h et w om o d e l s h o w e v e r , m o r er e a s o n a b l ea n da c c u r a t er e s u l t sa b o u tt h ei n t e r a c t i o nr e l a t i o n s b e t w e e nt h ec r a n ka n db e a r i n gc a nb ea c q u i r e do n l yb ym u l t i f l e x i b l e - b o d yd y n a m i c s m o d e l a tl a s t ，t a k i n gt h ed y n a m i cl o a d so nc r a n k s h a f tj o u r n a la n dc r a n kp i na c q u i r e d f r o mt h es i m u l a t i o nb yt h ef l e x i b l em o d e la n ds e ti ta sb o u n d a r yc o n d i t i o n sa b o u tt h e d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，a n s y ss o f t w a r ew a su s e dt oa n a l y z e t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ec r a n k s h a f tm o r ea c c u r a t e l yt o g e tt h ed y n a m i c r e s p o n s eo fc r a n k s h a f ti ni t sw o r k i n gp r o c e s s i nt h i sw a y , w ec a nf i n dt h ed a n g e r o u s p o s i t i o n so fc r a n k s h a f ta tt h et i m eo fw o r k i n g ，s ot op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o ri t s i i o p t i m i z a t i o n t h er e s u l t so f “st h e s i si n d i c a t et h a tu s i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y w i t h t h em e t h o do ff e ac a ng e tm o 置ea c c u r a t e r e s u l t sa b o u tt h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s l s o f 也ec 。岬r e s s o rc r a n k s h a f t 。i th a sg r e a tm e a n i n g s ，s u c h a sa m e n d i n gt h ec r a n k s h a f t ， r a i s i n gt h ed e s i g n l e v e la n di m p r o v i n gt h ec o m p r e s s o r sp e r f o r m a n c e g e n e r a l l y s p e a k i n g ，i ti sa l le c o n o m i c a l ， e f f e c t i v ea n ds c i e n t i f i cm e t h o d k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t , d y n a m i c ss i m u l a t i o n , m o d a l a n a l y s i s ，d y n 锄i er e s p o n s e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：聒畚日期：矽。夕壬届 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签孙獬新( 签孙锄匆易吼沁弦。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 空气压缩机( 以下简称空压机) 是用来提高气体压力和输送气体的机械。 从能量的观点来看，空压机是属于将原动机的动力能转变为气体压力能的工作 机【l 】。它种类繁多，用途极广，被广泛应用于国民经济的各个生产部门，故有“通 用机械”之称。在交通运输业中主要将空压机作为动力用压缩机，如利用压缩 空气制动车辆、启闭门窗等。它以压缩空气为动力源，具有安全、经济、高效 的特点。根据产生制动力的力源不同，目前汽车上的制动系统有机械制动系统、 液压制动系统、气压制动系和电磁式制动系。液压制动系统被广泛地应用在轻 型车和轿车上，而气压制动系统多用于货车、大客车上，其力源是压缩空气。 压缩空气由空压机产生，其主要作用为产生压缩空气，贮存在储气筒中，为汽 车的制动和有关用气装置提供所需的高压空气。 随着国民经济的发展，汽车成为人们f i 常生活中不可或缺的交通工具。近 年来，从世界各国的发展来看，汽车工业越来越成为衡量一个国家经济与科技 发展程度高低的重要指标。据预测，2 0 1 0 年全球的汽车产量将达到7 5 0 0 万辆。 在我国，汽车工业作为“九五”确定的支柱产业得到了迅速的发展。在汽车工 业的带动下，汽车主要配件制动空压机的需求量也急剧增加。制动空压机 作为汽车的制动系统元件之一，人们对其工作时的可靠性和安全性要求也越来 越高，此外，空压机在工作时产生的振动和噪声会影响人们的身心健康，污染 环境，因此必须对其进行动态分析和动态设计，以满足工作时的安全可靠性与 低振动、低噪声的要求，这就要求对空压机进行优化设计改进结构以减小工作 过程中的各种动态力。 曲柄连杆机构是空压机各运动件的总和，同时也是活塞式压缩机的关键部 件，其尺寸参数和性能的优劣直接影响到压缩机的工作可靠性和寿命。随着压 缩机的发展和强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加苛刻，由于曲轴受周 期性变化的气体压力、往复和旋转运动引起的惯性力的作用，在工作过程中既 弯曲又扭转，因此要求曲轴具有较高的强度、刚度以及良好的动态特性，同时 武汉理工大学硕士学位论文 曲轴的运动又是空压机产生振动噪声的主要原因，因此对曲轴的动态特性进行 理论和实际的研究分析具有重要的意义。 由于在实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的气体压力的交变载荷作用， 并受到输入扭矩的作用而产生扭转振动，受力情况极其复杂。采用传统的单纯 有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述。一般 情况下是通过简化加载边界条件，完成曲轴动力响应的稳态分析工作。其计算 速度快，模型构造简单但计算结果往往与实测偏差较大，不能够真实地反映曲 轴在实际运行工况下的力学特性。而且曲轴在工作过程中，因所受复杂载荷的 综合作用，曲轴的各个部位以及同一部位的应力应变状态在一个工作循环的各 个瞬时都是不同的。因此，如何进行精确的瞬态动力分析，如何进行有效的有 限元分析和模态分析，以真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性， 并为空压机曲轴的设计和优化提供理论参考，则成为现实最关心的实际问题。 本文采用了多体动力学仿真技术与有限元分析技术相结合的方法，针对 e q l l 4 1 g 型空压机的曲轴连杆系机构进行多体动力学分析，并对曲轴进行了实 时的、高精度的动力学响应分析。利用这种研究方法可以高效的对构件进行分 析，并实时的获得想要的结果和数据，对缩短设计周期，提高分析精度、设计 水平和市场竞争力都具有重要的现实意义。 1 2 空压机研究现状与发展趋势 1 2 1 国内空压机发展现状 国内压缩机生产起始于2 0 世纪5 0 年代的各类矿山用空气压缩机。早期 的压缩机主要是仿制日本德国苏联等国家的产品，随后又在高校罩建立了压 缩机专业，并成立了专门生产制造压缩机的工厂企业，从零点起步的我国压 缩机制造业，经过半个世纪的跨越式发展，目前已成为国民经济重大技术装 备的源头之一。从最初的仿制到现在的独立开发、联合开发等，在提倡自主 开发的同时也积极引进国外先进技术，现在我国的压缩机产品己经发展成门 类齐全，品种繁多，科研和生产有机结合，并在某些技术领域处于领先地位。 我国制动空压机的发展源于8 0 年代。我国早期的制动空压机产品以老解放 车和老黄河车上所用的制动空压机为代表，其产品均为双缸，进排气系统为板 2 武汉理工人学硕士学位论文 阀结构，老解放为皮带传动，老黄河为轴传动，总体上效率较低、可靠性较差。 近年来，随着汽车工业的迅猛发展，制动空压机技术也得到了快速发展，同时 对空压机安全性和可靠性的要求也日益提高，因而国内外众多企业日趋看重空 压机的优化设计。近十年来的总体发展趋势是单缸、立式、进气排气卸荷和水 冷【2 】。经过制动空压机几十年的发展，其结构模式、进排气结构、卸荷方式和冷 却方式等都发生了很大变化，充气系数提高、功率消耗减少，特别是引进柴油 机机型的国产化，使制动空压机设计、制造水平与国际先进水平的差距越来越 小，部分产品已经达到了国际先进水平。 1 2 2 国外空压机发展现状 活塞式压缩机作为往复压缩机的主要类型，历史悠久，制造简单，目前 还是一种应用广泛的基本机型。压缩机研究总的来讲，都是围绕下列方向进 行的：( 1 ) 根据生产发展需要开发新产品；( 2 ) 不断提高已有机器的经济性 与可靠性；( 3 ) 应用新工艺与新材料；( 4 ) 降低制造成本，降低噪声【3 】。世界 各国正在采用现代化技术例如( c a d 、c a m 等) 进一步挖掘潜力，降低成本。 在科研方面，国外压缩机专业的科研工作，在各类压缩机的性能和可靠性已 基本得到妥善解决的高水准基础上，仍主要围绕提高产品的寿命和性能两大 方面进行工作。特别是电子计算机技术在压缩机研制中的广泛使用，使数理 模型取代了“经验凑试”，使科研工作向自动化、最佳化方向发展。 在计算机模拟上，美国i r i s 公司引进多维空间解析，将性能分析和部件 设计综合在一起，为设计新的或改进的压缩机优化提供了一个极为有效的途 径【4 】；在故障诊断上，美国普度大学利用压力传感器所测得讯号的变化来发现 压缩机故障，并判断原因；在气阀研究中，计算机使阀片运动规律的数字模 型方程得出迅速准确的结果，正确地认识了气阀的工作过程、特性和结构参 数的合理性，气阀的最优化研究和可靠性研究取得明显效果【5 】【6 】，在容积控制 方面也取得了引人注目的方面；在气流脉动与管道振动研究中采用模拟机， 解决了气柱固有频率、压力脉动、结构振动、复杂管系固有频率的计算和动 力效应的分析，使管路系统设计合理，消振措施有力【7 j ；在压缩机性能预测的 研究中，实现了对几何特征参数、膜腔曲线、压缩过程、排气过程、吸气过 程、泄漏流量的计算预测，避免了多工况下的实机运转实验，大幅度节约了 时间和费用。 3 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 3 往复压缩机新进展 随着人们对使用环境及能耗、环保等方面要求的提高，螺杆和涡旋空压 机开始占有一定市场，但作为开发早、完善度高的往复活塞压缩机，在动力 领域仍占有主要市场，其技术进展近年来虽不及回转式压缩机迅速，但并未 停滞，仍不断有所创新，具体表现如下： ( 1 ) 在原有压缩机结构的基础上不断创新及改进； ( 2 ) 继续增强压缩机的工作能力。如德国博尔齐格公司的b x 系列机身 负荷增至1 2 0 0 k n ，实际使用的运动件最大作用力为8 0 0 1 0 0 0 k n 。这是目前 世界上最大的往复压缩机，用于炼化企业中压缩氢气等； ( 3 ) 根据生产发展需要开发新产品、不断提高已有机器的经济性与可靠 性。如微型电磁压缩机又有新的发展，这种压缩机发明于2 0 世纪3 0 年代， 由于一般永磁铁所形成的直线电动机效率低下，仅为4 5 一6 0 ，由此使压 缩机能耗增大而未能得到发展。近一个时期来，由于应用n d f e b 永磁材料， 电机效率能达到9 5 ，因此，人们又在冰箱中开始应用电磁压缩机； ( 4 ) 新工艺与新材料的应用。随着材料科学的进步，一些新材料不断应 用于压缩机技术中，使得压缩机的性能、寿命有了很大地提高。在新工艺方 面，如应用激光照射提高气缸内壁的耐磨性，已开始受到人们的关注。但是 目前的试验仅限有油润滑气缸，无油润滑是否有效尚待研究。大型数控加工 中心的应用，它不仅使机加工的精度大大提高，而且也使机身结构设计带来 了变化，使得加工面在一次夹装中完成，装配工作量也随之减少。 今后的发展前景不仅在于努力提高技术性能指标，更应着力于应用近代 先进计算机技术进行性能模拟和优化设计，促成最佳机型的系列化、通用化、 机组化和自动化，降低生产成本，完善辅助成套设备，扩大应用领域，提高 综合技术经济指标。 1 2 4 曲轴系统动力学研究现状 随着压缩机的发展和强化指标的不断提高，研究如何降低压缩机的噪声和 减少振动成为了重要的课题。曲柄连杆机构是往复压缩机中最主要的动力总成 件。压缩机的振动很大程度上是由曲轴引起的，曲轴振动系统是一个具有一定 刚度和惯量的弹性体，在压缩机运转时产生振动，曲轴的振动将破坏曲轴系的 4 武汉理工入学硕士学位论文 原有平衡状态，导致机体的振动和嗓音显著增大，使压缩机的性能交坏强】。因此 在新产品的开发和老产品的改进中，进行曲轴在受载状态下的动态响应分析， 获得曲轴的动态应力殿变分布情况，从而对曲轴参数进行合理的改进和设计， 使逮轴的振动控制在允许的范围就显褥菲常地重要。 然而目前对压缩机曲轴的研究主要以强度校核以及结构优化为主，对其动 态特性的研究还相对较少。由于往复压缩机曲轴系统的数学模型相当复杂，在 实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的交变载萄作用，受力情况极其复杂。因 此，采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态交化边 界条件的描述。传统的动力计算以1 5 为间隔，将曲柄连杆活塞机构3 6 0 。运动 范围简化为2 4 个固定位置的静态计算。这种计算方法显然不能描述曲柄连杆机 构的复杂豹受力过程。一般是使用单缸单拐益轴系统，通过简化热载边界条件， 完成曲轴动力响应的稳态分析工作。其计算速度快，模型构造简单。但计算结 果往往与实测偏差较大，不能够真实地反映曲轴在实际运行工况下的力学特性。 随着计算机硬 孛技术的飞跃发震和多体动力学软件的成熟，采用多体系统 动力学对曲轴系统进行动力优化分析成为可能。与传统的瞳轴系统双质量模型 和截断简支梁法相比，采用多体系统动力学模型分析可以考虑更多的因素，如 可以考虑曲轴活塞连杆等其它弹性部件的柔性特性，更精确的可考虑曲轴系统 构件运动副之闻的摩擦、嚣l 度、阻尾以及主轴承油膜的作用。 1 3 关键技术 本文采用虚拟样机技术对e q l l 4 1 g 型车用愿缩机曲轴连杆机构进行仿真分 析，并与有限元法相结合对压缩机曲轴进行瞬态动力学响应分析。 1 3 1 虚拟样机技术 虚拟样机技术是一种基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，是在 c a x ( 如c a d 、c a m 、c a e ) d f x ( 如d f a 、d f m 等) 技术基础上的发展， 它迸一步融合了现代信怠技术、先进仿真技术和先进制造技术，将这些技术应 用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分 析复杂系统，支持“由上至下 的复杂系统开发模式 9 1 。利用虚拟样机代替物理 5 武汉理工大学硕士学位论文 样机对产燕进行截新设计测试和评彳鑫，以缩短产燕开发周期，降低产翕开发成 本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 在传统的设计与制造过程中，需要通过周丽复始的设计试验设计 过程，产菇才能达到所要求的性能。对于结构复杂的系统，不仅需要漫长的设 计周期，还增加了产品开发的成本，从而无法适应市场的变化。而采用虚拟样 机技术则可以直接利用c a d 系统所提供的各种零部件的物理信息及其几何信 息，在计算机上定义零部件闯的约束关系并对机械系统进行虚拟装配，从焉获 得机械系统的虚拟样机【琊l 。使用系统仿真软件在备种虚拟环境中真实地模拟系 统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观测并试验 各组成部分的相互运动情况；同时还可以方便的修改设计缺陷，仿真试验不同 的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优方案，从两可以缩短开发周 期，降低成本，提高设计效率。 虚拟样机技术的核心理论是多体动力学，包括多刚体系统动力学和多柔体 系统动力学，是砑究多体系统运动规律豹学科。多刚体系统动力学的研究对象 是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种约束形式连接，研究这些 系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其 它一些量的表达式；多柔体系统动力学麴研究对象是由嚣体和柔俸混合组成 的系统，它可以看作是多刚体动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成的特点， 一般以多刚体系统动力学的研究为基础，对系统中柔性体进行处理，常用的处 理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等 n l 。将柔性体的分析 结果与多两体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程。 1 3 2 有限元法 从数学角度来看，有限元法基本思想豹提爨，可以1 9 4 3 年c o u r a n i 的开创 性工作为标志。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小 位能原理檩结合，来求解扭转问题。扶应用角度来看，有限元法的第一个成功 尝试，是将剐架位移法推广应用子弹性力学平面翘遂，这是t u m o r 、c l o u g h 等 人在1 9 5 6 年分析飞机结构时得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求得 平面应力问题的正确解答。他们的研究工作打开了利用电子计算机求解复杂平 6 武汉理工大学硕士学位论文 蘑弹性闯题的新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 进一步处理了平匠弹性阀题，并第一次提 出了“有限单元法 的名称，使人们开始认识有限单元法的功效。1 9 6 0 年后， 随着计算机的广泛应用和发展，有限元法的发展速度才显著加快。半个世纪以 来，理论上，确认了有限元法是处理连续分质阀遂簏一种普遍方法l 弪冲引。 实践上，有限元法己经应用予许多学科，已由弹性力学平面问题扩展到空 间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。 分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力 学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用己从分 析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。 a n s y s 公司由j o h n sw a n s o n 博士于1 9 7 0 年在美国宾鹾法尼亚州匹兹堡市 创立，a n s y s 有限元程序是该公司主要产品，它是第一个通过i s 0 9 0 0 1 溪量认 证的分析设计类软件。其主要功能包括建立模型、结构分析、非线性分析、电 磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、结构优化等。 由于a n s y s 软件具有建模筒蕈、快速、方便的特点，困箍成为大型通焉有 限元程序的代表。a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型 通用有限元分析软件，可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、 轻工、地矿、水利、霹用家电等一般工业及科学研究。 1 4 研究内容及方法 本文以e q l1 4 1 g 型车用空压机为研究对象，运用理论分析和计算机数值仿 真相结合的方法，对其曲轴连杆系结构进行多体动力学仿真。首先通过运用多 体动力学软件建立合理的空压机曲轴连杆系多刚体动力学模型，再利用 a d a m s a u t o f l e x 模块将其多刚体动力学模型转化为多柔体动力学模型，继丽运 用有限元分析软件对曲轴进行瞬态动力学分析，得到一周期内的曲轴动力响应 完成在一个周期中所表现出的动力响应特性，由此可以清楚的了解曲轴工作过 程中振动弓| 起的各部分的应力、应变，迅速找到筵险部位，从而为该型藤缩机 曲轴的改进、优化设计及整机的优化提供参考。 本文研究的基本内容及所作的主要工作是： 1 简要介绍车用压缩机曲轴连杆机构的运动规律，并利用m a t l a b 程序设计 7 武汉理工大学硕士学位论文 语言对其运动学关系式进行编程，褥到机构运动过程中空压机活塞位移与曲轴 转角的一一对应关系。 2 利用三维建模软件s o l i d w o r k s 建立空压机曲柄连杆机构的三维实体模 型，并进行简单的运动仿真，在设计前期验证机构中是否存在干涉，最后保存 为p a r a s o l i d 格式的文件。利用机械系统动力学仿真分析软件a d a m s 对空压机 的曲柄连杆机构进行仿真，分析特定转速时曲柄连杆机构的运动学和动力学特 性，得到的运动学分析结果与实际相符，说明多刚体动力学模型的合理性。 3 利用a d a m s a u t o f l e x 模块将益轴连杆系多刚体动力学模型转纯为多柔 体动力学模型，对其进行仿真得到相关结果，与多刚体动力学模型仿真结果对 比分析知，曲柄连杆机构中与曲轴弹性体不发生相互作用的刚性部件之间以及 连枉小头和活塞销之闻的相互作用关系用两种模型都可以得盘比较准确的分析 结果；而曲轴和轴承之间的相互作用力只有多柔体动力学模型能够给出合理且 相对准确的分析结果。 4 。合理简化空压枫趣轴模型，采用高精度单元建立有限元模型，进行该蓝 轴的模态分析，以获得该曲轴的固有频率和振型，分析蓝轴的结构参数对曲轴 动态特性的影响。利用多柔体分析得到的结果作为边界条件，对曲轴进行结构 瞬态响应分析，并根掂结构动力响应分析结果提出结构修改建议。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车用空压机的工作原理和运动学分析 2 1 车用空压机结构及工作原理 本文的研究对象为东风汽车泵业有限公司生产的e q l1 4 1 g 型车用空骶枫， 属于活塞式压缩机，是车用制动系统元件之一，但空压机在整车上固定在发动 机的一侧，故常常单独考虑。气压制动系的控制及传动装置主要应用在中、重 型载货汽车及吨位较大的特种车辆上。气压制动系的力源是压缩空气，而空压 祝的终用就是产生压缩空气，贮存在赞气篱中，为汽车的嘉l 动和有关用气装置 提供所需的高压空气。如图2 1 所示为车用空压机的结构简图5 1 ，图中表示了压 缩机的主要零部件及其组成。 图2 1 车用空压机结构简图 1 连杆2 曲轴3 活塞4 进气阀片5 阀托板6 进气通道7 排气阀片 8 气缸盖9 排气通道 1 0 曲轴油道孔1 l 主轴瓦8 l 润滑油进油口 8 2 润滑油排油翻9 l 冷却水进鼹9 2 冷却水排口 9 武汉理工大学硕士学位论文 活塞式压缩机主要由气缸和活塞，以及驱动活塞运动的连杆和曲轴、控制 气体进出的进、排气阀组成。当驱动机带动曲轴旋转时，通过连杆的传动使活 塞作往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则随之发生 周期性变化。活塞由气缸盖8 处向下运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这 时，气体沿着迸气管推开进气阀4 而进入气缸，直至工作容积变得最大时进气 阀关闭；活塞向上运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压 力达到：并略高于排气压力时，排气阀7 打开，气体排出气缸，直到活塞运动到 最上位麓为止，摊气阀关闭。当活塞再次向下运动时，上述过程重复出现。总 之，曲轴旋转一周，活塞随之往返一次，气缸内相继完成进气、压缩、排气的 过程，从而实现对工作气体的吸入、压缩和输送。 2 2 曲柄连杆机构的运动学分析 压缩机的曲柄连杆机构是压缩机各运动件的总和，主要包括曲轴、连籽、 活塞等。其主要形式有两类：中心曲柄连杆机构和偏心睦柄连杆机构，前者在 压缩机上应用最广【l 引。 为了研究方便，把连杆的运动简化为两个质点的运动：即一部分随曲柄销中 心点客运动，另一部分隧活塞镇中心点童运动，a b 之闻始终保持着具有连秆长 度，的距离，那么曲柄连杆机构的运动主要是研究彳、b 两点的运动，即活塞的 运动和曲柄销的运动。活塞的位移、速度、加速度可以从曲柄连杆机构的几何 关系来确定。l 图2 - 2 曲柄连杆机构工作示意图 空压机曲柄连杆机构工作示意图如图2 2 所示。其中o b 代表睦轴，d 点为 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 曲轴旋转中心，召点为曲柄销中心，a b 代表连杆，彳点为活塞销，活塞都集中 在a 点。当曲轴在外界的驱动力的作用下做绕d 点作旋转运动，连杆a b 作摆动， 活塞沿着气缸中心作往复运动。 由图2 2 的几何关系中可得活塞位移x 为1 7 】： 口 x = r ( 1 一c o s 0 + 2 s i n 20 ) ( 2 - - 1 ) z 其中，曲柄半径； 卜一连杆大小头的中心距； 五曲柄半径与连杆大小头中心距之比，五= ； 连杆轴线和气缸中心线之间的夹角，称连杆摆角； p 曲柄转角，通常从外止点( 活塞距曲轴最远的位置) 算起； x 从外止点量起的活塞位移。 在空压机工作过程中，曲柄的旋转可认为是等速的，令缈：辈，可得活塞 d f 速度1 ，为【1 7 】： v = r c a ( s i n 0 + 以 s i n 2 0 ) ( 2 - - 2 ) 2 活塞运动加速度为： a = ，伽2 【c o s 0 + a c o s 2 0 】 ( 2 3 ) 2 3 基于m a t l a b 的活塞运动规律计算 通过理论的分析，可以得到曲柄连杆机构的运动和动力关系式，它们都是 关于曲轴转角0 的解析式，这些公式的计算十分复杂，过去通常采用解析式的简 化式进行计算或者采用图解法求得近似解。这些近似解往往和真实情况存在误 差，不能很好的指导工程设计人员进行计算。近年来随着计算机科技的发展， 已可以借助编程的方法，在计算机上用复杂的计算关系式来精确的求解各种运 动过程。 m a t l a b 软件是由美国m a t h w o r k s 公司开发的集科学计算、数据可视化和程 序设计为一体的工程应用软件，现已成为工程研究计算机辅助分析不可缺少的 基础软件，它由m a t l a b 主包、s i m u l i n k 组件以及功能各异的工具箱组成【l8 1 。用 m a t l a b 实现曲柄连杆机构的运动计算公式的程序编写以及计算和数据显示非常 武汉理工人学硕士学位论文 方便，本文主要利用m a t l a b 软件的m 函数功能对曲柄连杆机构的运动计算公式 进行参数化并编写可参数驱动的计算程序，完成机构工作过程的计算和数据显 不。 根据活塞运动方程式21 、22 、23 知，当曲柄半径r 、连杆大小头中心距 1 、曲轴角速度吐，确定后，活塞的位移j 、速度v 、加速度a 均与曲柄转角口有关， 以，、，、为设计参数，编写活塞运动计算的程序如下： 位移函数：f u n c t i o np i s dj s ( r ，l ，w ) 速度函数：f u n c t l o np i s v e l ( r ，l ，w ) 加速度函数：f u n c t i o np is a c c ( r ，l ，w ) 绘制活塞运动规律曲线如图23 至图25 所示： ”厂t t r 广广_ 、 * l ，一 j _ ：卜i j ： t 。j zl j 曩艇、i ，j l j ： ：f ： ；。卜n = - 、- 卜卜 q：i： g 叶一 ：卜； o ” f c ”iv ：? i | 1 l 卜二卜卜：协 ，、，_ 、 o f j 占i i ；i 高j 占i 高r 高 镕# 日 图2 1 活索位移l i l l 续 j 、i i ： ：卜 图2 _ 4 活塞位移曲线 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 活塞加速度曲线 由位移函数：f u n c t i o np i s d i s ( r ，l ，w ) 可以根方便的得到活塞位移与曲轴 转角的一一对应关系，如表21 所示，便于下一步压缩机各个工作过程端点值 的计算。 表2 - 1 话塞位移与曲轴转角对应关系图表 0 ( d e g l x ( 嘞】 一“e g ) j ( 曲) 口( d e g ) x ( 珊) 口( d e g ) 口( d e g ) x ( 衄) 目( d e g ) i网=誓i 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章曲轴连杆系多刚体动力学分析 多体系统动力学由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成，是虚拟样 机技术的核心，其中多刚体动力学仿真是近十年发展起来的机械动力系统计算 枧数值仿真技术，它建立在多强l 体动力学理论基懿之上，应用多刚体动力学模 型彷真机械系统运动过程中的运动学和动力学特健。本章以e q l l 4 1 g 型车雳空 压机为研究对象，以a d a m s v i e w 为仿真平台，建立了其曲柄连杆机构的多 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 们之闯的相互作用力等。 3 1 曲柄连杆机构的动力分析 馥柄连杼毒旯构的动力学分析是压缩视结构设计的基础，主要分析趣柄连杆 机构中载荷的分布情况，并从中找出产生压缩机振动、曲轴旋转不均匀和不平 衡惯性力的原因，从而确定改善压缩机动力特性的措施。此外，动力分析还为 压缩规主要零件的强度、雕度、磨损、振动和轴承负蘅等计算提供必要的数据。 3 1 1 曲柄连杆机构的动力学分析 压缩枫正常运转时，产生的作用力主要有兰类：1 ) 往复运动帮不平衡旋转 质量产生的惯性力；2 ) 气体压力造成的作用力气体力；3 ) 接触表面相对 运动时产生的摩擦力。在动力学分析中，一般不考虑构件自身重力和摩擦副间 的摩擦力，主要分析气体力及各构件的惯性力在馥梗连杆机构中的作焉情况【n 。 压缩机工作过程中，超旗连杼枫构的受力如图3 一l 所示。为了给后面的馥轴 系统动力学分析提供理论依据，下面将对上述曲柄连杆机构备部件的受力情况 进行具体的归类分析。 1 ) 活塞力 当压缩机正常运行时，其往复惯性力、气体力都是沿气缸中心线方向作用。 将它们的代数和称之为列的活塞力，即 f 口= f l + l 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 = b 厶+ ，功2c o s 0 + a m ，r c 0 2 c o s 2 0 ( 3 1 ) 其中c 气体力； ，往复惯性力； 聊质量集中于活塞销中心点的往复运动质量，为活塞、活塞销及连杆 上随活塞销做往复运动的转化质量之和。 压缩机正常运行时的活塞力，随曲柄转角的变化而变化，因此c = s ( o ) 。 图3 1 压缩机作用力分析图 2 ) 活塞销a 处的分解力 活塞力在活塞销中心a 处可以分解为两个分力：一个作用方向垂直于气缸 轴线方向，沿旋转方向压向气缸为正，反之为负，被称为侧向力n ；另一个分力 沿着连杆轴线的方向，使连杆受到拉伸为正，受压缩为负，被称为连杆力巧， 它说明了连杆受力的情况，如图2 8 所示。 肚f p t a n = c 蕊 巧2 c 。s 2c 而菰1 荔 ( 3 2 ) 式中 连杆轴线与气缸轴线之间的摆动央角，向着曲轴方向旋转为正，反 向摆动为负。 3 ) 曲柄销b 处的分解力 作用在曲柄销上的连杆力巧可以分解为垂直于曲柄方向的切向力t 和沿曲 柄方向的法向力足，且规定与曲轴旋转方向相反的切向力为正，由曲轴中心向外 武汉理工大学硕士学位论文 指的法向力为正，反之为负。其值分别为： 丁= 厉s i n ( 9 + ) = c 兰坚铲= c ( s i n 口+ 芝了亍2 三s 丽i n 2 0 ) ( 3 3 ) 尺= 巧c 。s ( 秒+ ) = c ! ! 笔铲= c ( s 秒一二荇：2 丽s i n2 0 ( 3 4 ) 4 ) 阻力矩和倾覆力矩 连杆力e 沿连杆轴线传至曲柄销中心点b ，对曲轴中心构成一个力矩m ， 其值为： 鸭铆唧警 ( 3 - 5 ) 该力矩方向与曲轴转向相反，起阻止曲轴旋转的作用，被称为阻力矩。 此外，连杆主轴颈作用与轴承上的垂直分力与侧向力大小相等，方向相反， 在压缩机内部构成一个力矩，其大小为： m ：n b ：卜s i n ( o 了+ p ) ( 3 - 6 ) 该力矩顺着曲轴旋转方向，故在立式压缩机中有使机器顺着旋转方向倾倒的趋 势，习惯上被称为倾覆力矩。 由上可知，阻力矩和倾覆力矩的大小相等，方向相反。但倾覆力矩作用在 机身上，阻力矩作用在曲轴上，二者在压缩机内不能相互抵消。 3 1 2 影响曲柄连杆机构动力的因素 在活塞式压缩机中，气体力使气缸、中体和机身等有关部分以及它们之间 的连接螺钉等承受拉伸或压缩载荷，故为内力，一般不会传到机器外边；而往 复惯性力和回转惯性力属于自由力，倾覆力矩属于自由力矩，它们都可能传到 机器外面而引发机器的振动1 16 。，因此，要想减小机器的振动就必须从影响机器 振动的各种因素出发。通过3 1 1 节分析知，压缩机在工作过程中所产生的各种 动力受到曲轴转角、曲轴转速、各构件的材料、曲轴连杆结构参数如曲柄半径， 连杆长，等、以及气体压力等多种因素的影响，主要影响因素如下： 1 ) 曲轴转角p ：活塞力、在活塞销彳处及曲柄销b 处的分解力、阻力矩和 倾覆力矩均随着曲轴转角的变化而呈周期性变化，此外，阻力矩和倾覆力矩的 大小还与连杆摆角有关，但