（机械设计及理论专业论文）关于水平双对置发动机的研究及仿真分析.pdf

论文题目： 学科专业： 研究生： 指导老师： 关于水平双对置发动机的研究及仿真分析 机械设计及理论 蒋淑娟 姜明副教授 摘要 随着现代科学技术的进步，发动机作为一种动力能源，广泛用于工业生产和交通运输 等各个领域。发动机作为重要的热能动力机械，承担了将能源转化为机械功的重大使命。 同时，发动机发展对环境产生了负面影响。首先，发动机消耗大量的石油资源，并排放大 量的有害气体。其次，车用发动机的曲柄连杆总成的惯性力引起的整车振动问题。其中， 发动机的惯性力的大小与方向对车辆的振动和舒适性方面都有相当大的影响。 为满足排放法规严格的要求和提高能量的转换效率，人们对发动机使用代用清洁燃 料，同时加快传统车用内燃机的结构及工作过程的改进。在2 0 0 8 年美国汽车工程学会年 会上，有两款水平发动机展出亮相，这两款发动机以其独特的结构形式以及性能的优越性 而备受关注。 论文对这两款结构形式独特以及性能优越的水平发动机进行相关研究。主要对双对置 发动机进行了运动学分析，平衡分析及虚拟样机仿真分析。论文还分别研究了单缸发动机、 v 型双缸发动机以及水平发动机中曲柄连杆机构的理论惯性力及倾覆力矩，为发动机的平 衡分析提供了理论基础。 在本文的理论基础上，研制的车用水平对置发动机广泛应用于宝马、保时捷以及富士 重工的摩托车及汽车上。研制出的双对置发动机可以用于各种不同的场合，例如：汽车、 卡车、飞机等。双对置发动机的前景广阔，具有很高的研究价值。 关键词：发动机；运动分析；动力学分析；平衡分析；仿真 a a s t r a e t t i t l e ：t h es t u d ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i so nt h eo p o e e n g i n e m a j o r ：m a c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o 吖 n a m e ：s h u j u a nj i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f m i n gj i a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： 一 s i g n a t u r e ： w i t ht h ep r o g r e s so fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ee n g i n ea sad y n a m i ce n e r g yh a s b e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o na n do t h e rf i e l d s a n de n g i n e s 嬲 i m p o r t a n tt h e r m a lp o w e rm a c h i n e r yh a su n d e r t o o kag r e a tm i s s i o nb e c a u s ei tc h a n g e se n e r g y i n t om e c h a n i c a lw o r k b u tt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n g i n eh a sb r o u g h tan e g a t i v ei m p a c to nt h e e n v i r o n m e n t f i r s to fa l l ，t h ee n g i n ec o n s u m e sal o to fo i lr e s o u r c e s ，a n dal o to fh a r m f u lg a s e s h a v eb e e nr e l e a s e db yi t s e c o n d ，i n e r t i af o r c eo ft h ec a l se n g i n ec r a n ka n dc o n n e c t i n gr o d a s s e m b l yc a u s e dv e h i c l ev i b r a t i o np r o b l e m s a m o n gt h e m ，b i g n e s sa n dd i r e c t i o no ft h ei n e r t i a f o r c eo ft h ee n g i n eh a v eac o n s i d e r a b l ei m p a c to nt h ev e h i c l e sv i b r a t i o na n dc o m f o r t i no r d e rt om e e tt h es t r i c t r e q u i r e m e n t sf o re m i s s i o n sr e g u l a t i o n sa n dt oi m p r o v et h e e n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ，p e o p l eh a v eu s e da l t e r n a t i v ec l e a nf u e la n ds p e du pt h e i m p r o v e m e n to ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r o c e s so ft r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei n v e h i c l e o nt h ee x h i b i t i o no fa u t o m o t i v ee n g i n e e r so fa m e r i c a ns o c i e t yi n2 0 0 8 ，b o t ht h el e v e l o ft h e e n g i n ew a so nd i s p l a ya p p e a r a n c ea n dt h e s et w oe n g i n e sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n b e c a u s eo fi t su n i q u es t r u c t u r ea n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e t h e s et w ou n i q u es t r u c t u r ea n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c el e v e lo ft h ee n g i n e sh a v eb e e n s t u d i e di nt h i sp a p e r k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，e q u i l i b r i u ma n a l y s i sa n dv i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o n a n a l y s i so fd o u b l e m o u n t e de n g i n eh a v eb e e nc o m p l e t e d t h e a t r i c a li n e r t i af o r c ea n d o v e r t u r n i n gm o m e n to fc r a n km e c h a n i s mi nt h es i n g l e c y l i n d e re n g i n e ，v - t w i ne n g i n ea n d h o r i z o n t a le n g i n eh a v eb e e ns t u d i e di nt h ep a p e r t h e yp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rb a l a n c e d a n a l y s i so f t h ee n g i n e o nt h eb a s i so ft h et h e o r yi nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fb o x e re n g i n e sw e r ew i d e l y u s e di nb m w ，p o r s c h e ，a n df u jih e a v yi n d u s t r i e sm o t o r c y c l e sa n dc a r s t h eo p o c e n g i n e sc a n b eu s e do nav a r i e t yo fo c c a s i o n s ，s u c ha s c a r s ，t r u c k s ，p l a n e s ，a n ds oo n t h eo p o c e n g i n e s h a v eb r o a dp r o s p e c t sb e c a u s eo fi t sv e r yh i g hr e s e a r c hv a l u e k e yw o r d s ：e n g i n e ，m o v e m e ma n a l y s i s ，k i n e t i ca n a l y s i s ，b a l a n c ea n a l y s i s ，s i m u l a t i o n 1 绪论 1 绪论 本文的研究对象双对置发动机是对置汽缸和对置活塞发动机的完美组合。本章主要对 双对置发动机的相关研究背景及意义、研究现状、发展趋势和双对置发动机的结构特性进 行阐述，并介绍各章节在论文中的安排及各章主要内容。 1 1 课题研究的背景及意义 自二十世纪五十年代以来，随着科学技术的不断发展，发动机作为一种动力能源，已 经被广泛应用于工业生产和交通运输等各个领域。发动机是一种重要的热能动力机械，于 是发动机承担了将能源转化为机械功的重大使命。可以说，发动机就是工业的“心脏 ， 对经济建设和国家安全都至关重要。 发动机1 0 0 多年来的发展历程，预示了发动机的重要的技术标志是与汽车发展及其人 类需求密切相关的。但发动机也给人们生活带来了负面影响，主要表现如下： 一方面，内燃发动机消耗大量的石油资源，并排放大量的有害气体的问题。这预示全 世界将面临能源紧缺的危机，并且面临越来越严重的环境污染。这要求发动机必须具备良 好的节能减排性能。在曾经发生过的石油危机中，人们已经意识到了合理利用自然资源的 重要性。国际能源署( i e a ) 曾对世界油燃料做出预测，直到2 0 3 0 年世界油消耗将从2 0 0 4 年每天8 2 1 亿桶增长到1 1 5 4 亿桶，如图1 1 。从内燃机能源紧缺以及环境污染的情况 看，高效节能也就成为了发动机发展的重要目标。 h 鞲 、 、 爨 心 v 棚 址 划 塞衷券装& 衾塞器g 。, - 4 星昌 蔓曼 一 - _ 一一一一一一 p lr r l广l r r 年份 图1 - 1 世界原油生产预测图 f i g l 1f o r e c a s tm a po f w o r l dc r u d eo i lp r o d u c t i o n 随着国际法规愈加严格的趋势，我国法规也在紧跟国际标准的步伐而日渐的严格，例 如：2 0 0 3 年，我国已经开始执行欧洲i i 标准，2 0 0 5 年，我国已经开始执行欧洲i i i 标准。 目前，世界范围内已经推广应用了一些新型代用清洁燃料，比如乙醇、生物柴油、石 油气、天然气等燃料。但新型燃料在资源、生产、应用技术、成本、效益及政策等方面都 存在较多尚未得到解决的问题。据统计，内燃机替代燃料的种类及数量至少在近2 0 年内 都将是有限的。因此，发动机主要的能源仍然必须要以石油基汽油和柴油为主。依据目前 形势看，传统车用内燃机的构造及工作过程的改进工作具有相当重要的意义。 另一方面，发动机运转产生振动的问题。发动机的振动会带来相应的负面影响。例如： 西安理工大学硕士学位论文 消耗能量、引起噪声、连接件松动、机构的磨损、电器元件的损坏等。发动机振动既影响 车辆的舒适性又影响其使用寿命和可靠性。一般情况下，发动机整机振动的主要激励源可 以分为以下几个方面：( 1 ) 由汽缸内的混合气燃烧产生的气体力，即燃气力；( 2 ) 由内燃 机中的运动机构( 曲柄连杆机构) 作往复运动和旋转运动产生的冲击力以及周期力。激励 力具体的主要表现形式为曲轴的主轴承力、汽缸燃烧压力、活塞侧推力及气门落座力等乜1 。 而工作中的发动机存在诸如活塞、连杆等不平衡的质量，这些不平衡的质量在随发动机运 行时会产生不平衡的周期性惯性力和惯性力矩。这些周期性的惯性力和力矩即是引起发动 机振动的主要激振源。因此，如果发动机的不平衡力以及力矩不能得到相应的平衡，那么 发动机可能会发生整体的振动以及曲轴的扭转振动等。因此，必须从发动机的振源出发， 找出引起发动机振动的不平衡力或力矩，安装相应的平衡对这些力或力矩进行相应的平 衡。安装相应的平衡机构对这些力或力矩进行抵消是对发动机振动控制的一个重要措施。 因而，发动机平衡的目的就是在一定的条件下采取适当的方法将振动减至合理的程度。于 是，关于发动机平衡的研究具有很重要的意义。 综上所述，我们要解决以上发动机燃料能源紧缺和发动机整机振动两个方面的问题， 对传统车用内燃机的构造及工作过程进行改造是快速且有效的方法。 1 2 国内外关于发动机的研究 1 2 1 研究现状 在内燃机1 0 0 多年的发展历程中，随着人类的要求的不断提高，发动机的性能也得到 了相当大的完善。为了满足发动机性能的需求，发动机的结构也在不断的更新变化。发动 机结构已有了较大的变化。最初的发动机是人类发明的最简单的单缸发动机；随着人们需 求的变化，直列式双缸发动机接着出世，直至研制出直列式四缸发动机等多缸发动机；然 而，为同时满足发动机性能和人类需求以及美观的需求，人类继而研发出了v 型发动机。 v 型发动机按缸数有v 型双缸及v 型多缸发动机。还有，w 型车用发动机也相继问世。 目前，国内外市场上，车用内燃机主要以v 型多缸发动机占主导地位。然而，由于在2 0 0 8 年美国汽车工程学会年会上，有两款水平对置发动机展出亮相，这两款发动机以其独特的 结构形式以及优越的性能而备受关注。在2 0 0 8 年美国汽车工程学会年会后，水平对置式 发动机引起了机械行业的极大关注。下面简单介绍这两款发动机： 一种是b o x e r ( t g 平对置) 发动机1 3 1 。b o x e r 发动机即对置活塞发动机，为四冲程发 动机。b o x e r 发动机的汽缸在曲轴中心线左右两侧对称分布，相当于将v 形双缸发动机的 夹角扩大到了1 8 0 。，同样左右两个活塞的连杆也按1 8 0 。来安装。两个活塞沿水平方向作 对向运动。其运动与并列双缸发动机的运动形式相似。目前，水平对置发动机技术已经相 对成熟，市场上已有水平对置发动机实体发动机投入生产实践。其主要代表有宝马r 系 列摩托车发动机，富士重工的e d 2 0 柴油发动机和斯巴鲁翼豹w r c ，保时捷9 1 1 。 另一种是o p o c ( 水平双对置) 发动机。水平双对置发动机是对置活塞、对置汽缸 ( o p o c ) 结构的二冲程发动机。t a r d e c 在底特律举办的2 0 0 8 年美国汽车工程学会年会 2 1 绪论 上展示了新研发成果o p o c ( 对置活塞对置汽缸) 发动机“1 。该双对置发动机以其特殊 的构造和尤其优越的性能引起发动机行业广泛重视。但目前双对置发动机仅仅是利用模型 试验阶段并未投入实践。 早在2 0 0 5 年度s a e 国际会议上，对置活塞对置汽缸( o p o c ) 发动机曾由德国f e v 公 司首次展出i s l 。当时对置活塞对置汽缸( o p o c ) 发动机是由美国国防预先研究计划署 ( d a r p a ) 赞助的最新研发的轻质高功率密度发动机样机。o p o c ( 对置活塞对置汽缸) 发动机在国际会议上亮相时的模型，见下图1 2 。 图1 - 2 双对置发动机模型n 1图1 3 双对置发动机结构模型6 f i g l - 2m o d eo f o p o c e n g i n e f i g l 一3s t r u c t u r a lm o d eo f o p o c - e n g i n e 在三年后的美国汽车工程学会年会上，新型对置活塞对置汽缸二冲程柴油机被第二次 推出，如图1 3 所示。此次展出的对置活塞对置汽缸( o p o c ) 发动机是美国t a i m e c 的最新 研发成果“1 。该发动机以其优越的性能引起发动机行业的广泛重视。 对置活塞对置汽缸( o p o c ) 发动机是对置活塞发动机与对置汽缸发动机的完美组合。 对置活塞和对置汽缸发动机经过国外研发人员的多年的研究和探索，都已经有了典型的成 熟产品。o p o c 发动机则是集聚对置活塞发动机与对置汽缸发动机的优点于一身的新型二 冲程发动机。目前，活塞对置汽缸对置发动机( 双对置发动机) 的研究还处于创新阶段，它 具有传统内燃机所不具备的优点，特殊的结构形式决定了其燃烧方式不同于传统发动机。 其结构形式如图1 3 所示。共用汽缸对置曲轴是水平对置双缸四活塞发动机设计的中心思 想。前苏联曾经将水平对置双缸四活塞发动机发展成了坦克动力。 目前，我国自主品牌乘用车发动机产销量出现了明显增长趋势，尤其是轿车发动机最 为明显。因此，发动机行业面临着良好的机遇，但也面临着挑战。一方面，随着生活水平 的提高，人们的要求日渐提高。为了满足人们日益提高的要求，新型发动机迫切需要加紧 研发。另一方面，随着技术的发展，飞机在国防事业上的应用中也占据越来越重要的地位。 从国防的意义上考虑，飞机的性能好坏取决于发动机性能的好坏。因此，从发动机技术的 军民两用的良好特性，我们可以看出发动机对国防和国民经济都据有重要意义“1 。从目 前军民对发动机的性能需求来看，美国国防先进技术研究计划署提出的双对置发动机是符 合目前发动机发展需求的最好对象。为了尽早将该水平双对置式发动机投入生产实践，加 快水平双对置式发动机研究成为目前的重要任务。我国内燃机研究所也都在加快双对置发 动机研发的步伐。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 2 发展趋势 图1 - 4 内燃机发展方向 f i g l - 4d e v e l o p m e n td e r e c c t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e 目前，全球资源形势日愈的严峻，环境也不断的恶化。世界范围内节能、减排，已经 成为了一大趋势。我国也已经开始把低碳排放纳入了在“十二五计划，如上图1 4 所示。 在“十二五”计划中指出我国内燃机的发展八大方向，即低排放、低油耗、轻量化、混合 气组织技术、高压喷射技术、高增压及中冷技术、高单位质量功率、高单位体积功率。 据中国汽车工业协会报道，国内发动机市场近几年，在汽车市场快速增长的拉动下， 也呈现出蓬勃发展之势“1 。随着汽车工业的发展，汽车行业对内燃机的发展要求也越来 越多，如下图1 5 所示。 图1 - 5 车用内燃机的要求 f i g1 - 5r e q u i r e m e n t so fv e h i c l ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e 综上所述，伴随着发动机技术的发展以及人们要求的提高，发动机主要向着高燃效、 低能耗、轻量化方向发展。目前，发动机发展主要方向为： ( 1 ) 传统发动机也加强实现更节能、清洁。 ( 2 ) 小排量发动机市场渐趋走强。 4 l 绪论 ( 3 ) 高压共轨技术推广速度加快。 ( 4 ) 涡轮增压技术前景广阔。 ( 5 ) 轿车柴油化不可逆。 为了满足人们日益迫切的需求，我们需要尽快开发出符合目前要求的发动机产品。以 目前的形势看，加快双对置发动机的研发使其尽早投入生产实践，将是发动机行业的迫切 需求。 1 3 本文研究的双对置发动机的特性 本文研究的o p o c 发动机是内燃机的一种。内燃机是一种燃料在发动机内部燃烧的 热力机。热力机是将燃烧的燃料热能转换为机械能，它是发动机的类型之一。o p o c 发动 机是一种将能量转换为机械功的机械装置。o p o c 发动机与传统的内燃机相比，具有明显 的性能优越性。本文主要研究对象双对置发动机的结构及性能的基本特性： 结构上：双对置( o p o c ) 结构为对置活塞、对置汽缸( o p o c ) 结构。它有四个活塞、 两个汽缸和六根连杆，每个缸有两个活塞，每个内活塞由一根连杆连接到曲轴上，每个外 活塞由两根连杆连接到曲轴上。o p o c 发动机整体为卧式结构，使整机更加紧凑( 功率密 度可达1 9 6 k w k g ) 。o p o c 发动机比常规发动机约少2 5 的零部件，明显降低了预计制造一 成本；o p o c 发动机与传统的发动机相比较，不但省去了汽缸盖而且还省去了配气系，从 而o p o c 发动机结构简单了，摩擦也少了璐1 。 性能上：o p o c 发动机为两冲程柴油发动机，从理论上输出功率是4 冲程发动机的四 倍。o p o c 发动机是往复式活塞内燃机故具有热效率高的优点。o p o c 发动机的对置活塞 形式( 例女l l j u n k e r s 发动机) 使其具有升功率高的优点。o p o c 发动机的对置汽缸单根曲轴结 构的发动机形式( 例j t l l b o x e r 发动机) 平衡了往复惯性力使o p o c 发动机的振动大大减小， 平衡性大大提高。 1 4 本论文的主要内容及任务安排 目前，国内发动机的结构以及种类也有各种型式。但是，我国自主品牌的发动机在技 术和结构上有待进一步提高。故本文选择结构独特、性能优越的新型发动机o p o c 发动 机进行相关研究及仿真分析。本论文的主要工作： 第一章分析本课题的研究的背景及其意义，国内外双对置发动机研究现状及发展趋 势，最后简单介绍了本课题研究的水平双对置发动机的结构特性及性能优越性。 第二章阐述发动机的相关术语，对o p o c 发动机工作原理的分析，证实o p o c 发 动机的性能优越性，并对o p o c 发动机的运动学规律进行分析。 第三章分别对不同类型的发动机( 直列、v 型、水平对置、双对置发动机) 的惯性 力以及倾覆力矩进行分析，通过分析对比找出o p o c 发动机在平衡方面的优缺点。利用 编程软件编制出关于惯性力以及倾覆力矩的程序，对o p o c 发动机进行仿真分析。 第四章分别利用p r o e 和a d a m s 软件建立双对置发动机局部模型，并将两者在 西安理工大学硕士学位论文 a d a m s 软件中分别进行运动学仿真，对比两种仿真结果。 第五章利用a d a m s 软件建立双对置发动机模型，并进行运动学仿真及简单的平 衡仿真分析。简单介绍双对置发动机的应用范围。 第六章结论与展望。 6 2 双对置发动机工作原理及动力学分析 2 双对置发动机工作原理及动力学分析 2 1o p o c 发动机的工作原理 2 1 1 发动机基本名词术语和基本构造 目前，内燃机中应用最广泛的是往复活塞式内燃机。本论文的研究对象双对置发动机 是二冲程往复活塞式内燃机。为了更加准确的对双对置发动机进行分析研究，首先我们讲 述一下内燃机通用的名词术语和基本构造。 图2 - l 内燃机 f i g2 - 1i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ( 1 ) 名词术语n 1 为了更准确的研究双对置发动机，我们先阐述一下内燃机的通用名词术语，如下图 2 1 所示。具体解释如下： 止点指活塞在连杆以及曲轴的限制下，到达的最远和最近的极限位置，这两个位置称 为止点。 上止点指当活塞处于汽缸内的到发动机曲轴中心线的距离为最大极限位置，该位置称 为上止点。 下止点指当活塞处在汽缸内的到发动机曲轴中心线的距离为最小极限位置，该位置称 为下止点。 活塞行程指在汽缸中活塞在从最远( 近) 运动到达最近( 远) 的极限位置的距离，该 距离称为活塞行程。 压缩比指活塞在汽缸中运动时，汽缸中出现气体的最大体积和最小体积之比( 即汽缸 的总容积燃烧室容积的值) ，称压缩比。 给气比指在标准状态下，每个循环可以通过换气口供给的换气量的容积与汽缸工作容 积之比。 ( 2 ) 发动机的基本构造 我们研究的双对置发动机是二冲程往复活塞式发动机。其构造与四冲程发动机 必然有所不同，但和二冲程柴油发动机一样都包括一个机构和五个系统，各个部分 7 西安理工大学硕士学位论文 如f ： 曲柄连杆机构汽缸内的燃气力推动活塞移动，再通过连杆驱使曲轴旋转，这样 将活塞顶的燃气压力转变为曲轴的转矩，输出机械能。 换气系统按照发动机要求，定时开闭进、排气门，吸入干净空气，排出废气。 冷却系统降低工作中发动机的温度，保证发动机正常的工作温度下。 润滑系统该系统主要是润滑、减摩、延长寿命、密封、清洁、冷却、防锈蚀的作 用。 燃料系统按发动机要求定时、定量供给所需要的燃料。 起动系统用来起动发动机。 2 1 2 双对置发动机的结构特点及工作原理 双对置发动机是将柴油的化学能转化为机械能的发动机，是二冲程柴油内燃机 的一种。双对置发动机不同于四冲程发动机，它具有自己的结构特点：以进、排气 孔代替进、排气门，并且由活塞圆柱面控制进、排气孔的开、闭。另外还有扫气孔， 扫气时曲轴箱和汽缸连通。它还采用对置汽缸单根曲轴的独特结构，其中两个汽缸、 四个活塞、六根连杆关于曲轴呈对称式分布。双对置发动机整体为卧式结构，使整 机更加紧凑。 图2 - 2 内燃机 f i g2 - 2i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e 双对置发动机的工作特点是燃料在汽缸内燃烧，利用气缸内产生的燃气力直接 推动内、外活塞做功。双对置发动机的内、外两对活塞分别在各自的上、下止点问 往复移动两个行程( 相当于曲轴旋转3 6 0 0 ) ，即完成了一个工作循环。 双对置发动机每个工作循环都经历压缩、进气、作功、排气这四个过程。如上 图2 2 所示，双对置发动机左、右两缸的工作过程为：右缸内、外活塞反向移动， 进气阀开启，排气阀关闭，燃料与空气混合气进入汽缸。当活塞到达最远位置后， 2 双对置发动机工作原理及动力学分析 改变运动方向，内、外活塞相向移动j 此时进气阀关闭，缸内气体受到压缩，压缩 到一定程度被压缩的混合气体点燃，混合气燃烧所产生的燃气迅速在汽缸内膨胀， 产生高压燃气力向两边推动活塞移动，活塞通过曲柄连杆机构带动曲轴旋转而做功。 当活塞再次反向运动时，进气阀再次关闭，排气阀接着打开，做功后的烟气排入大 气。左缸与右缸工作原理相同，只是两个缸的运动相位差为1 8 0 。，右缸内的两个活 塞反向运动时，刚好左缸内的两个活塞相向运动；反之，右缸内的两个活塞相向运 动时，左缸内的两个活塞反向运动。双对置发动机重复上面的压缩、燃烧、膨胀和 排气过程，周而复始循环，这样发动机将化学能转化为热能，进而转化为机械能做 功。与传统发动机相比，双对置发动机的优点有： ( 1 ) 双对置发动机的输出功率是四行程发动机输出功率的四倍； ( 2 ) 双对置发动机为二冲程发动机，结构简单，使用维护方便； ( 3 ) 双对置发动机的结构特殊，由于活塞对置故其升功率高，而汽缸对置故平衡 了部分往复惯性力从而大大减小了发动机的振动，因而双对置发动机较传统发动机 运转更均匀平稳1 。 实际上双对置发动机的输出功率并达不到传统四行程发动机输出功率的四倍之 耋 高，而是大约在3 5 4 倍左右n 们。由于其他技术的进步，目前该问题已经得到相应 的解决，故该二冲程双对置发动机深受汽车行业的青睐与关注。 2 2 双对置发动机曲柄连杆机构 2 2 1 组成及分类 ， 任何一个机构都是由零件( 最基本的单元) 组合成的。零件固定联接组成构件，构件 再通过运动副连接组成运动链，若将运动链中某一构件加以固定使其成为机架( 连接于原 动件) ，则该运动链便成为机构。机构组成过程如下表2 1 所示。 表2 - 1 机构组成框图 t a b l e2 - 1b o d yc o m p o s i t i o nd i a g r a m 广 厂_ 二 广 广_ 1 i 零件恽割构件胃1 运动链 。卷刮机构l 双对置发动机的运动机构组成如下：活塞在气缸中通过移动副连接于机架，活塞通过 旋转副连接于连杆小头，连杆大头通过旋转副连接于曲轴上，曲轴通过旋转副连接于机架。 我们通常所说的曲柄连杆机构就是活塞、连杆、曲轴部分t i l l 。如下表2 2 所示。 表2 - 2 组成框图 table2 - 2c o m p o s i t i o nd i a g r a m 匡寸咂鬲回一圆 发动机的曲柄连杆机构可以分为很多型式，但一般我们将其按运动学分为三类，如下 图2 3 所示。 9 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 中心式( 2 ) 偏置式( 3 ) 关节式 ( 1 ) c e n t e r( 2 ) o 伍s c t ( 3 ) a r t i c u l a t e d 图2 - 3 分类简图 f i g2 - 3c l a s s i f i e dd i a g r a m 在前面我们已经研究了双对置发动机的工作原理，我们可以清楚地了解到，双对置发 动机也是通过曲柄连杆机构将发动机的活塞的往复移动转化成为发动机的曲柄的旋转运 动的。经过上图与双对置发动机实体模型比较，我们可以确定本文研究的发动机的曲柄连 杆机构是中心曲柄连杆机构。 2 2 2 机构分析 图2 - 4 双对置发动机运动简图 f i g2 - 4m o t i o nd i a g r a mo ft h eo p o c - e n g i n e 从双对置发动机运动简图2 4 可知：双对置发动机曲柄连杆机构可以看做是由四个曲 柄连杆机构组合成的。 自由度f 为“妇：f = 3 n 一( 2 研+ 见) ( 2 1 ) 式中：n 一活动构件数目； p l 低副数目； 肼一高副数目。 由上图可知，曲柄连杆机构包括：9 个活动构件( 1 个曲轴、4 个连杆、4 个活塞) 、 1 3 个低副( 9 个旋转副和4 个移动副) 、0 个高副。代入上面公式计算得双对置发动机曲 柄连杆机构自由度f 为：f = 3 x 9 - 2 x ( 1 3 + 0 ) = 1 ( 2 2 ) 由自由度f = i 以及原动件的数目为1 ，可知该机构的自由度数等于原动件数目，故该 机构具有确定的运动。 通过分析，可知我们可以运用平面连杆机构的基础知识对双对置发动机进行分析。双 对置发动机曲柄连杆机构按平面机构的组成原理拆分后得到，它由4 个相同的基本杆组、 一个原动件和一个机架组成。其中每一个基本杆组2 各构件( 一个连杆、一个汽缸) 和3 1 0 2 双对置发动机工作原理及动力学分析 个低副构成( 两个旋转副、一个移动副) 。 构件组静定的条件是：3 n 一( 2 易+ 死) = 0 ( 2 3 ) 双对置发动机曲柄连杆机构的按平面机构的计算原则可得： 3 n 一2 易= 3 x 2 2 3 = 0 ( 2 4 ) 由上式得该构件组是静定的，该基本杆组是由2 个构件和3 个低副构成的，最简单的 基本杆组i i 级组。同单曲柄连杆机构的运动分析类似，可以看成在垂直平面运动的机 构。 。 2 3 运动机构m 1 通过研究曲柄连杆机构的运动规律，利用可以确定其运动机构的各个构件与机体的运 动关系，以及各个构件与机体的力的相互作用规律，进一步具体确定机体受力。故我们首 先对发动机曲柄连杆机构进行研究。 2 3 1 活塞运动分析 、j 堑a g 乡 、 ， 乏| 7 纱献 r ，i 弋 fx 图2 - 5 运动简图 f i g2 - 5m o v e m e n td i a g r a m 上图2 5 中，o 为曲轴中心，o b 为曲柄，a l 为活塞上止点，a 2 为活塞下止点，o a 为汽缸中心线，a b 为连杆，a 为活塞销中心，b 为曲轴销中心。我们认为曲柄近似是匀 速转动即0 3 约为常数，因此仅由0 3 一个参数就可以确定曲轴的运动状态。一般在实际应 用中，我们将连杆质量进行简化，分别使其简化为集中在大头和小头的质量，大头做旋转 运动和小头做往复移动，这样就不必再对连杆的运动规律分别进行单独的研究t 1 3 1 。 a 活塞位移 假设曲柄按图中所标示的旋转方向转动，在曲柄转角如图所示，a b 从汽缸轴线开始 运动，恰好在机构运动的平面内转过一定角度，如图2 5 所示。此时活塞位移为： 1 x = 4 a = 4 彳一4 彳= ( 厂+ ，) 一( r c o s a + c o s ，) = 厂【( 1 一c o s a ) + ( 1 一c o s ，) 】 k 五= r 0 一c o s a ) 西安理工大学硕士学位论文 x 2 = r ( 1 一c o s 3 ) 】a ( 2 5 ) 式中：入一连杆比。 于c o s 3 = 1 一s i n 2 3 = l 九2s i n 2a ( 2 6 ) 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 得：x = r 1 一c o s a + _ 1 ( 1 4 1 一允2s i n 2 仅) 】 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 则是活塞的精确的位移公式，该公式化简后所得的省略式为： 1 一a 2s i n 2a l 一三a 2s i n 2a ( 2 8 ) 2 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 得：x = r ( 1 一c o s a + - - ，、s i n 2 口) ( 2 9 ) b 活塞速度 将活塞位移公式( 2 5 ) 对时间t 进行微分，即可求得活塞速度的精确值为： ，：妾：妾妾：，国( s i n a + 垒坐要) (210)na0 ，= 一= 一一= ，国i s l 十一) l z d td dd t 、 2c o s8 。 将式( 2 9 ) 对时间t 进行微分，可以得到活塞速度的近似公式为： v ，- ( s i n a + 害s i n 2 a ) = r c o s ；n a + r i o 害s m 2 口( 2 m ) = 嵋+ ，2 从式( 2 1 1 ) 可以看出，活塞的速度可视为由两部分简谐运动所组成的。由上式可以 看出，活塞的速度并不是常数，而是时时在变化的。由上式可知，活塞速度与曲柄转角的 关系是受九值影响的。 c 活塞加速度 将式( 2 1 0 ) 对时间t 微分，可求得活塞加速度的精确值为： ：宰：车塑l ca + 允+ 一_ l ( 2 = 一= 一一 l c a + 九+ 一_ l 【2 衍出 口1 f , ：r o d 2 ic o s 2 口a 。z ss i n 2 3 2 口a 12)a o s 2cos4c o s 将式( 2 1 1 ) 对时间t 为微分，可求得活塞加速度的近似值为： 口= ，( 0 2 c o s a + z c 。s 2 a ) = ，2 c o s a + ，c 0 2 a c o s 2 a ( 2 1 3 ) = q + 吒 因此，由上面的式子可知活塞加速度也可以视为两个简谐运动的加速度之和。不同九值也 影响活塞加速度与曲柄转角的关系。 2 3 2 双对置发动机的运动分析 1 2 2 双对置发动机工作原理及动力学分析 图2 - 6 双对置发动机运动简图 f 适2 - 6m o v e m e n td i a g r a mo fo p o c - e n g i n e 根据双对置发动机的实际结构情况，建立o p o c 发动机的主要运动机构一曲柄连杆 机构的运动简图，如图2 - 6 所示，其中曲柄a b 长为4 5 m m , a c 长为4 0 r a m ，内连杆b d 与 内连杆b f 的长都为1 7 5 m m ，外连杆c e 与外连杆c g 的长都为4 4 0 m m 。构件d 、e 、f 、 g 处均为活塞，活塞直径为1 0 0 m m 。以前一节的运动分析理论为基础，我们可以运用 m a t l a b 编程，计算出该双对置发动机的运动的相关数据。下面仅以双对置发动机右缸 的内活塞为例，对其进行运动计算。由计算得到活塞最大速度为1 8 8 2 m s ，平均速度为 1 3 4m s ，最大加速度为4 2 8 2 3 m s 2 。 2 4 运动机构受的作用力 。 研究曲柄连杆机构的受力，主要在于研究曲柄连杆机构中各种力的作用情况，从而分 析内燃机的平衡情况。曲柄连杆机构主要受四种作用力，一般具体分类如下1 1 4 1 ： ( 1 ) 运动质量的惯性力； ( 2 ) 缸内气压力； ( 3 ) 构件摩擦阻力； ( 4 ) 负载阻力等。 由于摩擦力和负载阻力的数值较小且变化规律很难掌握，故受力分析时可以把摩擦力、阻 力忽略不计。 2 4 1 运动机构惯性力 在机构的惯性力的计算过程中，对质量分布不均匀的机构通常需要通过进行质量换算 的方法来达到简化目的。 a 机构运动件的质量换算 等效质量换算的目的是计算零件的运动质量，以便进一步计算它们在运动中所产生的 惯性力。 ( 1 ) 连杆质量的换算n 钉 从前面的分析中，我们了解到连杆做的是平面运动。为了方便计算，我们将连杆( 包 括有关附属零件) 的质量简化到大头和小头用质量来代换，并假设质量小头为只做往复运 动：质量大头只绕曲轴中心旋转1 1 0 1 , 如图2 7 所示。 西安理工大学硕士学位论文 二f 1、- 珏 、 ， 、形牙n ， 咚、二一t 叁g 、， 久仍l办 y 憋够吨 图2 7 质量换算 f i g2 7q u a l i t yc o n v e r s i o n 为了保证质量系统在力学上的等效性，这两个连杆的质量系统必须满足下列三个关系 p 【1 1 】 a ： 总质量不变，即m ，= m l + m 2 。 连杆重心的位置不变，即m 1 ，l = m 2 ( 1 - 1 ) 。 其简化前后转动惯量保持不变，即聊。彳+ 聊：u - l s ) 2 = 乇。 由以上三个条件可得下列换算公式： 坍。砚竽彤：= 册工争 c 2 ， 用平衡力系求合力的索多边形法求出重心位置。将连杆分成若干简单的几何图形，分 别计算出各段连杆重量和它的重心位置，再按照索多边形作图法，求出整个连杆的重心位 置以及折算到连杆大小头中心的重量。 ( 2 ) 往复直线运动部分的质量 活塞( 包括活塞上的零件) 是沿汽缸中心做往复直线运动的 1 6 1 0 以m h 表示活塞销的 质量，m i 表示小头质量，即m ，= m h + m l 。 ( 3 ) 不平衡回转质量 曲拐的不平衡质量及其代换质量如图2 8 所示： 1 4 m k l ba 、 一1 一 m 】c 、f i l露7 ) - 麟执m 妲 tl v i i 。 l 0 黪鬻订 l r n 、 f a 楚少dt _ t止j 图2 - 8 质量代换 f i g2 - 8q u a l i t yr e p l a c e m e n t 曲拐在绕轴线旋转时，曲柄销和一部分曲柄臂的质量将产生不平衡离心惯性力，称为 2 双对置发动机工作原理及动力学分析 曲拐的不平衡质量。为了便于计算，所有这些质量都按离心力相等的条件，换算到回转半 径为的连杆轴颈中心处，以m g 表示，换算质量m k 为： m i = 肌g + 2 m 6 _ e ( 2 1 5 ) 质量m k 与质量m 2 之和称为不平衡回转质量m rn ，即 m ，= m 七+ 册2 ( 2 1 6 ) b 曲柄连杆机构的惯性力 根据上面的简化原理，假设曲柄的角速度c o = 2 7 r n 6 0 = 万刀3 0 ( 其中n 为曲轴转数) 我们把曲柄连杆的质量简化后，其惯性力分别归结为往复惯性力和旋转惯性力 1 8 1 。 ( 1 ) 惯性力为： p j2 一m j a = 一m j ( r t 0 2c o s t z + ，国2 a , c o s 2 a ) = p j l + 乃2 乃l = 一，2 c o s 口 p ，i - - 一朋，国2 a , c o s 2 a ( 2 1 7 ) 式中：m j 往复质量，埏； k 连杆比； 卜曲柄半径，m ； ” d 一角速度，r a d s ； q 一曲轴转角。 a j 是沿汽缸中心线方向作用的，公式( 2 1 7 ) 前的负号表示a j 方向与活塞加速度的方向相 反。 ( 2 ) 惯性力p ，为：e r = 一m ，2 。( 2 1 8 ) 2 4 2 双对置发动机受力分析 图2 - 9 曲柄连杆机构的动态静力分析 f i g2 - 9d y n a m i cs t a t i ca n a l y s i so f t h ec r a n k 研究双对置发动机受力，主要在于阐明曲柄连杆机构中各种力的作用情况，从而分析 内燃机的平衡情况。我们对双对置发动机曲柄连杆机构系统进行力学分析研究。上图2 - 9 是双对置发动机左缸的曲柄连杆机构的动态静力分析示意图。曲柄连杆机构的各个构件的 几何尺寸分别是：曲柄a b 长