（车辆工程专业论文）三缸cpicp曲柄连杆机构的优化设计.pdf

中文摘要 介绍了三缸约束活塞型内燃式水泵( c p i c p ) 的工作原理，以及c p i c p 弓传统的 内燃机水泵系统的比较，c p i c p 与自由约束活塞发动机的比较，突出了c p i c p 的c 作特点及优势。从连杆、曲轴受力及运动特点等方面入手，通过对各个零件的质量 转换，把曲柄连杆机构简化成个很简单的| 1 柄滑块机构的理论模型，从而人大方 便了后来的研究。在假设缸径、6 i i - e 、行程不变，假设连杆、曲轴等各自的结构尺 寸成定比例的情况下，以曲柄连杆机构的质量最小和机械损失功率虽少为 _ 标， 以连杆强度、怕轴强度及结构尺寸为约束条件，以连剃截面积、曲轴主轴径、曲柄 宽度为设计变量，建立了多目标优化的数学模型。采用复合形法最优化技术编制软 件对三缸c p i c p 曲柄连杆机构进行优化求解。并对优化结果进行了分析：跟k m 3 8 5 b 柴油机相比，c p c p 【出于水泵部分分解了部分压力，所以曲柄连杆机构受到的力 减少，从而可以使连杆、曲轴等在更小结构尺寸的情况下电能够满足强度要求；而 且由于摩擦力也减少，从而由摩擦力损失的摩擦功率也随之减少。劂此，在节能、 节材的日标下，通过优化计算可以得出曲柄连杆机构的质量减少了3 3 5 8 ：摩擦 功率损失减少了2 6 6 0 。 硕士研究生常方奎( 车辆工程) 指导教师张铁柱教授 关键词：约束活塞型内燃式水泵；数学建模；多目标优化设计 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ee l e m e n t so ft h r e e c y l i n d e rc o n f i n e dp i s t o ni n t e r n a l c o m b u s t i o np u m p ，a n dc o m p a r e sc p i c pa n dt h es y s t e mo f t r a d i t i o n a li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ed e r i v i n gw a t e rp u m p ，a n dc o m p a r e sc p i c pa n dh f p e ，s ot h a ti tg i v e s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fc p i c p a c c o r d i n gt ot h ef o r c ea n dm o t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fb a r , c r a n k s h a f ta n dt h em a s sc o n v e r s i o no ft h e m ，t h ec r a n k - l i n k m e c h a n i s mi ss i m p l i f i e dam o d e lo fc r a n kd r i v e ns l i d em e c h a n i s m s ，w h i c hg i v e sag r e a t c o n v e n i e n c ef o rt h er e s o u r c e s u p p o s ec y l i n d e rd i a m e t e r , c y l i n d e rd i s t a n c e ，t r a v e la r e i n v a r i a b l e ，a n ds u p p o s et h es t r u c t u r es i z eo ft h ec o n n e c t i n gr o d ，t h ec r a n ki sp r o p o r t i o n a l t ot h e m s e l v e s ，f o rt h eg o a lo ft h es m a l l e s tm a s so fc r a n k l i n kn a e c h a n i s ma n dt h el e a s t m e c h a n i c a ll o s s ，w i t ht h ec o m l e c t i n gr o di n t e n s i t y , t h ec r a n ki n t e n s i t ya n dt h es t r u c t u r e s i z ea st h er e s t r a i n tc o n d i t i o n ，w i t ht h ec o n n e c t i n gr o da r e a ，t h ec r a n k s h a f td i a m e t e r ，t h e c r a n kw i d t ha st h ed e s i g nv a r i a b l e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em u l t i g o a l so p t i m i z e s i se s t a b l i s h e d t h ec o m p l e xm e t h o di su s e do nt h eo p t i m i z e ds o l u t i o nt ot h r e e c y l i n d e r c p i c pc r a n k l i n km e c h a n i s m a n di th a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st ot h eo p t i m i z e dr e s u l t ： c o m p a r e sw i t ht h ek m 3 8 5 b d i e s e le n g i n e ，b e c a u s et h ep r e s s u r e so f c p i c pa r e d e c o m p o s e dp a r t i a l l yb yt h ew a t e rp u m p ，s ot h a tt h ef o r c eo f t h ec r a n k l i n km e c h a n i s mi s l e s s t h e r e f o r e ，m a y b et h ec o n n e c t i n gr o d ，t h ec r a n kc a nm e e tt h ei n t e n s i t yr e q u e s ti na t h i n n e rs i t u a t i o n ；m o r e o v e r , b e c a u s et h ef r i c t i o nf o r c ea l s or e d u c e s ，t h ef r i c t i o n a lp o w e r l o s e sa l s or e d u c e s t h e r e f o r e ，t h r o u g ht h eo p t i m i z e dc o m p u t a t i o n ，t h em a s so f c r a n k l i n k m e c h a n i s mr e d u c e s3 3 5 8 ：t h ef i - i c t i o n a lp o w e rl o s sr e d u c e s2 6 6 0 p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：f a n g - k u ic h a n g ( v e h i c l ee n g i n e e r i n 酌 d i r e c t e db yp r o f t i e z h uz h a n g k e y w o r d s ：c o n f i n e dp i s t o ni n t e r n a lc o m b u s t i o np u m p ；m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ； m u l t io b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果， 均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研完成果，也 不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：擎窍李魄吁翻7 徊 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方 式发表、复制、公开阔览、借阕以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文 直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学。 本学位论文属于： 保密o ，在年解密后适用于本声明。 不保密 ( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：谚；弓衙日期。7 年伽，日 锄鲐彩协庇s 期嘲牮印，妒 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 5 0 青岛大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c p i c p 产生的背景及研究意义 柱塞式水泵有着广泛的应用领域。传统的柱塞式水泵由活塞式内燃机驱动，形 成活塞式内燃机柱塞式水泵能量转换组合系统，尽管有时直接将柱塞式水泵和内燃 机设计为一个整体系统，由一个底盘安装支撑，但仍改变不了动力经过两套曲柄连 杆机构传递的本质。活塞式内燃机和柱塞式水泵是两个独立的单元装置，前者仅能 将热能转换输出为旋转机械能，后者仅能将旋转机械能转换输出为水压能，其技术 归属两个不同的领域，相应的研究、技术与应用已比较成熟。该系统存在能量转换、 传递路线长，效率低，能源浪费严重；柱塞泵结构复杂，系统笨重，生产及使用成 本高，污染严重；最为严重的是多个独立单元的组合存在一定程度的匹配不合理、 工作不协调等问题。 针对传统内燃机一液压泵系统的改进国内外很多高校、科研院所都有大量而又有 效的研究。其中取得成果的除青岛大学的约束活塞型内燃式水泵( c o n f i n e dp i s t o n i n t c m a lc o m b u s t i o np u m p ，以下简称c p i c p ) 外还有液压自由活塞发动机( h y d 【r a u l i c f r e ep i s t o ne n 百n e ，h f p e ) 。h f p e 的基本研究思路是，在传统内燃机驱动液压泵的 静液复合驱动系统中省去内燃机中把活塞的直线往复运动转化成旋转运动的曲轴连 杆组件及液压泵( 柱塞泵) 中把旋转运动转化成活塞往复运动的旋转斜盘组件，直 接将内燃机的活塞同液压泵的柱塞刚性连接组成其传动系统。此思路具有创造性的 意义，并且应用在实践当中也取得了许多切实有效的成果。液压自由活塞发动机虽 然效率高，结构紧凑，其容易熄火等工作的不可靠性制约了它的推广应用和进一步 深入研究。 为此在国家自然科学基金及地方科研基金的支持下，青岛大学车辆电子研究所 课题组开展了约束活塞型内燃式水泵( c p i c p ) 的研究工作，这种水泵将柱塞泵的压水 柱塞与内燃枫的动力活塞直接相连，利用活塞的直线往复运动直接实现热能向水压 能的转换，极大的克服了活塞式内燃机。柱塞式水泵能量组合转换系统存在的问题。 c p i c p 具有能量转换效率高、零件数量少、体积小、重量轻、生产及运行成本低等 显著特点，发展前景及其广阔。 本文对c p i c p 的曲柄连杆机构进行优化设计，该研究所贯彻的节能、节材的思 想，对于国家建设“节约型”社会，促进社会主义社会的和谐发展，具有极其重要 的意义”。 第一章绪论 1 。2 国内外研究现状分析 鉴于流体动力应用需求的广泛性和重要性，及传统活塞式内燃机一柱塞式流 体泵组合系统存在问题的严重性，欧洲、美国、日本等国家都设立相关项目研究 攻关新型的流体动力系统，在活塞式内燃枧柱塞式流体泵组合系统及h f p e 方面 开展了大量工作。c p i c p 为我国首先提出来的创新性自有技术，查新表明国际上未 见相似的研究报道。 1 2 1 传统内燃机一柱塞式水泵组合系统 图1 1 所示是一种传统典型的内燃机一柱塞式水泵组合系统工作原理图，该系统 首先通过活塞式内燃发动机活塞汽缸部分，经过一个工作循环即进气、压缩、燃烧 膨胀( 做功) 、排气四个过程，活塞运动两个或四个行程，实现一次热能向活塞直线 机械能的转换，将燃料热能转换为活塞的往复直线机械动力，再由曲柄连杆机构部 分将活塞的往复直线机械动力转换输出为旋转机械动力，而后将该旋转机械动力经 过若干中间环节如联轴器、皮带传动等，进行机械动力参数的变换，继而经过柱塞 式水泵的曲柄连杆机构或斜盘滑靴机构部分等将旋转机械动力转换还原为压水柱 塞的往复直线机械动力，最后通过柱塞式水泵的柱塞缸体部分与配流机构协调工作 将该往复直线机械动力转换输出为水压动力。 图1 1内燃机- 柱塞式水泵组合系统工作原理示意图 1 活塞；2 - 活塞连杆；3 - 活塞曲柄；4 中间环节；5 动力分配箱； 6 - 柱塞曲柄；7 - 柱塞连杆；8 柱塞；9 。配流系统 这种能量组合系统应用广泛，但存在问题较多： ( 1 ) 内燃机一液压泵系统体积大，造价高，结构复杂，零件众多，传动线路长，机械 效率低，损耗严重。 2 青岛大学硕士学位论文 ( 2 ) 内燃机一液压泵系统燃油消耗率、有效功、有效热效率、运转不均匀度、输出流 量和压力等性能指标都不尽如入意，有着非常大的改进潜力。 ( 3 ) 传统内燃机一流体泵系统提高压力时能源消耗明显加大，污染严重、成本高、系 统笨重、生产建设成本大。 1 2 2 液压自由活塞发动机 图1 2 为直接进行热液压动力转换的h f p e 工作原理图。美国威斯康星大学、 密执安大学及卡特皮勒有限公司、德国德累斯顿工大、日本丰桥工业大学、荷兰i n n e s b v 工程公司、芬兰坦佩雷工大、中国浙江大学、青岛大学开展了相关研发工作。这 种系统活塞没有曲柄连杆机构约束，故为“自由活塞”；活塞、拄塞与缸体间无侧向 力作用，系统能量转换与传递环节简短，效率高。h f p e 是国内外尤其是国际上的 一个研究热点，目前已经形成部分发明专利，但并不成熟、完整。技术标准尚未建 立。 2 3 口| _ “ ( a ) 2 2 33，i ( b ) ( c ) 圈1 2h f p et 作原理及分类 ( a ) 单活塞式；c o ) 对置活塞式；( c ) 双活塞式；i - 动力腔；2 - 回程腔；3 - 泵腔 这一系统本身也具有许多瓶颈般的问题： ( 1 ) 活塞是自由的，所以回程困难，难以控制，速度难以调整。 ( 2 ) 无固定止点、无固定行程。 ( 3 ) 附属系统驱动困难，难以实现定时、协调工作，多缸工作更是如此。 ( 4 ) 系统对压缩比的要求非常精确，导致其控制系统非常复杂。 ( 5 ) 系统启动困难的问题始终难以解决，技术实现难度大。 3 第一章绪论 1 。2 3o p i c p 青岛大学车辆电子研究所课题组首先参考1 7 8 f 柴油机及w s 8 2 型柱塞式水泵研 制了单缸轴向型c p i c p 样机。并通过试验测取了c p i c p 样机、1 7 8 f 柴油机及w s 8 2 型柱塞式水泵有关数据，试验现场如图1 3 所示。依据测取的数据对c p i c p 与内燃 机一柱塞式水泵能量转换组合系统工作性能及指标进行了数值模拟。 图1 3 约束话塞型内燃式水泵试验现场 i - a l h 型压力变送器；2 - l u g b 型涡街流量传感器：3 - z l y 型智能流量显示仪；4 出水管；5 进水管；6 - 内燃式水动力系统；7 光电转速表测转速用纸带 在单缸机研究的基础上，课题组又以k m 3 8 5 b 柴油机为参考，研制出三缸c p i c p 样机( 如图l4 ) 。三缸c p i c p 样机的曲柄连杆机构保持了k m 3 8 5 b 的原有数据，方 便了配气、供油等的改造，但是由于c p i c p 的载荷通过泵输出，曲轴输出端没有载 荷，因此曲柄连杆机构所受冲击的强度削弱，机械损失变小。鉴于这个背景，本文 以曲柄连杆质量最小和曲柄连杆机构机械损失最小为目标进行多目标优化，此项工 作对于三缸c p i c p 的研究具有重大意义。 4 青岛大学硕士学位论文 图1 4 三缸c p i c p 样机 1 2 4 内燃机优化设计研究现状 内燃机优化设计理论研究和应用已经从以往的面向零部件或工作过程的、局部 的、单一科学的优化发展为多学科的、多目标、多变量、多约束的综合决策。内燃 机优化设计是复杂系统优化问题，约束条件和目标函数大多数隐含在微分方程组中， 不能用简单的显函数形式来表达，因而优化设计的数学模型的建立和求解难度很大。 内燃机优化设计理论研究与应用除了取决于优化计算理论发展外，与内燃机工作过 程模拟、传热学、内燃机动力学、摩擦学等其他相关学科密切相关，其他相关学科 的发展促进内燃机优化设计理论研究和应用。优化计算理论已相对成熟而相关学科 的发展则比较滞后，影响了内燃机优化设计理论研究和应用。优化计算理论己相对 成熟，而相关学科的发展则比较滞后，影响了内燃机优化设计理论的工程应用。内 燃机优化设计问题数学建模是否符合工程实际，依赖与相关科学的研究成果。 模糊优化理论和方法是解决内燃机优化设计问题数学建模合理性的有效方法。 遗传算法、进化方法、人工神经网路、可视化优化方法是内燃机系统优化设计问题 求解的基本方法。研究内燃机基本参数优化问题对提高内燃机整机性能意义重大。 本文研究的是c p i c p 的曲柄连杆机构的优化设计。国内外目前虽然有很多单独 的针对曲轴、连杆等零件的优化例子，但是针对c p i c p 系统的曲柄连杆机构的多目 标优化还未有先例。 1 3 本文研究的主要内容及主要创新点 本文优化的对象是c p i c p 的曲柄连杆机构。c p i c p 是将k b l 3 8 5 b 柴油机和w s 8 2 5 第一章绪论 型柱塞式水泵结构集成的，曲柄连杆机构的尺寸直接用的是k m 3 8 5 b 柴油机的部分， 没有其他的变化。但实际上，跟k m 3 8 5 b 柴油机相比，c p i c p 由于水泵部分承担了 部分压力，所以瞌柄连杆机构受到的力减少，从而可以使连杆、曲轴等在较小的结 构尺寸的情况下也能够满足强度要求；而且由于摩擦力也减少，从而由摩擦力损失 的摩擦功率也随之减少。因此，在节能、节材的目标下，可以进行优化计算。本文 在对三缸轴向c p i c p 整机结构及其性能充分了解的基础上，对曲柄连杆机构以质量 最小和机械损失最小为目标进行了多目标优化设计。最终节约了材料、减少了机械 损失。具体来说，如下所述： ( 1 ) 介绍了三缸c p i c p 的工作原理，及其与传统的内燃机水泵系统、h f p e 的比较。 ( 2 ) 从动力学角度进行了分析，把曲柄连杆机构简化成为一个曲柄滑块机构的纯粹 的理论模型。 ( 3 ) 以曲柄连杆机构的质量最小和机械损失功率最少为目标，以强度校核及结构为 约束，建立数学模型。 ( 4 ) 用复合型法计算，m a t l a b 编程，计算出优化结果。并对优化结果进行分析。 ( 5 ) 做出结论，并对课题进行了展望。 本文的创新点在于： ( 1 ) 把活塞、连接杆、联接板、柱塞、滑块等看成一个刚体，一个质点来研究，降 低了研究的难度。 ( 2 ) 对曲柄连杆机构进行模型简化，通过质量的当量转换，简化成曲柄滑块结构的 理论模型。 ( 3 ) 数学建模过程中通过体积和长度尺寸把质量目标函数以及强度校核约束联系起 来的方法。 ( 4 ) 以质量和摩擦功率损失为目标，以强度校核和结构条件为约束对曲柄连杆机构 整体结构进行多目标优化的方法。 6 青岛大学硕士学位论文 第二章c p i c p 的工作原理 c p i c p 根据液压柱塞与动力活塞的连接方式及运动形式分为v 型、轴向型和 径向型三种，三者有各自的工作特点，分别适用于不同的应用需求。三类c p i c p 的第一工作室、第三工作室结构组成及工作机理基本相同，本质区剐在于液压柱 塞与动力活塞的连接方式、机械能的分流方式及能量转换方式。本章将针对轴向 和径向两种形式的原理进行介绍。 2 1 c p l e p 的基本原理 图2 1 为c p i c p 结构原理图，有轴向型和径向型两种形式。能量转换工作在含 有活塞一柱塞的3 个工作室中完成。第1 工作室为燃烧室或动力腔，实现燃料热能向 活塞一柱塞直线机械能的转化工作，能量转换机理基本与传统内燃机相同；第2 工作 室为液压能转换室，实现直线机械能向液压能的转换与输出，工作机理与柱塞泵基 本相同；第3 工作室为辅助工作室，通过曲柄连杆机构对活塞一柱塞的运动施加约 束，保证活塞一柱塞组件的连续往复运动，实现系统定时、辅助系统驱动等工作。 轴向型的柱塞行程和活塞相同，结构较为简单，径向型的柱塞行程可以根据需要进 行调节，灵活性大。活塞( 活塞缸) 柱塞( 柱塞缸) 连杆曲柄机构是该系统的核 心机构。 ( a ) 7 第二章c p i c p 的工作原理 ( b ) 图2 1c p i c p 结构原理图 ( a ) 一轴向型；( b ) 径向型；l 、2 、3 - 三个工作室 2 2 轴向c p l c p 的基本原理 轴向c p i c p 如图2 2 所示。这种系统压水柱塞6 与动力活塞8 运动方向相统一， 动力活塞8 通过连接板7 直接与压水柱塞6 连接，通过联接杆5 、导向滑块4 及连 杆1 0 与曲轴9 连接。机械能的分流点a 是联接杆5 与连接板7 的连接中心。该系统 在点a 处将直线机械能分为两路，一路直接带动压水柱塞6 运动实现本路分流能量 向水压能的转换工作，一路通过联接杆5 、导向滑块4 及连杆l o 实现本路分流的往 复直线机械能量与曲轴9 旋转机械能量的相互转换，并通过曲轴9 保证活塞一柱塞 组件的连续往复运动，承担系统启动、定时、协调及辅助系统驱动工作。置于工 作室中的动力活塞8 一连接板7 一压水柱塞6 一联接杆5 一导向滑块4 一连杆1 0 一曲轴9 是 本系统的核心机构，承担着燃料热能一机械能一水压能转换的工作。同泵的压水柱 塞6 的数量大于2 ，并且均匀分布在动力活塞8 中心线周围。第一、第二工作室中 心线平行，工作室、动力活塞、压水柱塞数量及柱塞缸体结构形式、尺寸根据系统 受力及具体使用要求确定。曲柄连杆机构作为中间环节承担着旋转机械能量的传递 工作“钉。 8 青岛大学硕士学位论文 8 7 6 图2 2 轴向c p i c p 工作原理示意图 卜第一工作室；2 - 第- i 作室；3 一第三工作室；4 - 导向滑块；5 一联接杆；6 一压水柱塞；7 一连接扳：8 - 动 力活塞；9 一曲轴；1 0 _ 连杆；a 一分流点 2 3 径向c p l o p 的基本原理 径向型系统第二工作室简图如图2 3 所示，其它部分的结构同轴向型约束活 塞型内燃式油压动力系统。该系统压油柱塞3 与动力活塞连接杆1 运动方向在同 一平面内成一定角度，压油柱塞3 与动力活塞通过凸轮轴的移动凸轮2 、滑靴( 滚 轮) 6 及柱塞弹簧5 连接。能量转换工作在含有凸轮轴( 移动凸轮) 滑靴( 滚轮) 径向柱塞柱塞弹簧的装置中完成。该系统利用动力活塞的往复直线机械能量通 过移动凸轮滑靴( 滚轮) 机构实现向油液压力能的转换工作。曲柄连杆机构作为 中间环节承担着部分机械能量的传递和向油液压力能的转换工作。 9 第二章c p i c p 的工作原理 图2 3 径向型内燃式油压动力系统第- - - - i 作室 卜动力活塞联接杆：2 一移动凸轮；3 一压油柱察；4 - 泉体；5 一枉塞弹簧；6 - 泔靴( 滚轮) 2 4 c p l c p 的工作特点 与传统的内燃机一柱塞式水泵组合系统及h f p e 比较，c p i c p 主要具有以下技术 及工作特点： ( 1 ) 结构简单，节能、节材效果明显； ( 2 ) 通过结构设计可以很好地解决三个工作室工作特性的匹配问题，径向型可以提 供无脉动恒流量输出特性； ( 3 ) 运动部件的运动特性为正弦特性，热能到流体动力转换环境、转换过程与传统 系统相同，工作稳定性好； ( 4 ) 热能转换为流体动力可以通过2 、4 冲程实现，具有h f p e 及传统内燃机的优点， 克服了相应的缺点； ( 5 集成内燃机与柱塞式水泵成熟先进的技术，利用曲柄连杆机构对动力活塞的运 动加以约束，系统止点、行程、压缩比固定，通过活塞的往复直线运动将燃料 燃烧的热能直接转换为流体动力，正常运行中不存在熄火现象： ( 6 ) 系统启动、活塞回程、附属系统驱动、工作定时、速度调整、多缸联动等容易 实现。 2 5 本章小结 本章以轴i a c p i c p 和径i 句c p i c p 为侧，详细介绍t c p i c p 的工作原理，并且逶过与 传统的内燃机柱塞式水泵组合系统及h f p e 比较，突出t c p i c p 能量转换效率高、零 件数量少、体积小、重量轻、生产及运行成本低等显著特点。 i o 青岛大学硕士学位论文 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 数学建模过程意义重大。通过数学建模可以把所研究的应用问题转化成纯粹的 数学问题，从而可以直接使用数学公式、程序等计算方法来得出结果。数学建模的 质量直接关系到将来数学计算的繁简性，关系到将来分析结果的准确性。而曲柄连 杆机构在优化建模之初，还需对曲柄连杆机构，在动力学研究的基础上，对其结构 进行简化，从而把曲柄连杆机构建模成一个理论上的曲柄滑块机构。 3 1 曲柄连杆机构的简化模型 3 1 1 结构简化 曲柄连杆机构的所有零件按照运动性质可以分成活塞一滑块组、曲轴、连杆等三 组。 ( 1 ) 活塞一滑块组 活塞一滑块组包括活塞、滑块、柱塞、链接活塞与柱塞的连接杆、柱销等，其 沿着气缸轴线做往复直线运动，每点的运动状态一样，认为其质量集中在滑块柱 销中心，并以地表示。 ( 2 ) 曲轴 曲轴包括连杆轴颈、曲柄臂和主轴颈等，其绕主轴轴线做旋转运动。一般将 曲轴质量换算到连杆轴颈中心上，换算原则是离心惯性力相等，即换算质量的离 心惯性力与实际不平衡质量的离心惯性力应该相等。 连杆轴颈的换算质量n7 即为连杆轴颈的实际质量 曲柄臂的换算质量i i l b7 ， 其中卜一一个曲柄臂的实际质量，k g ； 7 换算到连杆轴颈中心的一个曲柄臂质量，k g p 曲柄臂的质心与曲轴旋转中心的距离，m 。 主轴颈的换算质量为零 l l 3 - ( 1 ) 3 - ( 2 ) 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 因此，单曲柄的换算质量耵k 为： 其中单个曲柄由两个曲柄臂组成。 ( 3 ) 连杆 连杆作复合平面运动。如图3 1 ，把连卡t 质量m 。分为三部分m 。= m - + m z + m 3 图3 1 连杆 m 2 3 一( 3 ) 由于连杆小头随活塞滑块做往复运动，所以m 属于活塞一滑块组里的质量，连 杆大头随曲柄做旋转运动，所以m ：应加到曲轴的换算质量m 。中去。应当指出两个头部 还将相对滑块销和连杆轴颈转动。但是由于头部的质量实际上是中心对称分布的， 而其半径同连杆长度相比又为数不大，所以这两个头部因为连杆转动而引起的惯性 力可忽略不计。 连杆杆身同滑块销一起做往复运动，并绕该销做旋转运动，如同摆锤，如图3 2 。 连杆杆身的主要质量m s 参与了第一种运动，所以它和小头一样，属于活塞滑块组质 量。 如果忽略连杆杆身的回转运动，正如下面将要指出的那样，是完全容许的。总 1 2 青岛大学硕士学位论文 结上面面所述，完全可以写出如图3 3 所示的曲柄连秆机构各部分质量的换算公式。 m2mk + m2 = m 。+ 2 mb p r + m2 图3 2 连杆秆身的运动 1 3 3 一( 4 ) 3 一( 5 ) 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 翼 碓b l 胎 | j i p tl l 伊 i n 一 ) 裔飚 图3 3 曲柄连杆机构各部分质量换算 ( 4 ) 结构简化模型 假设气缸和滑块的摩擦力不计，经过质量换算，曲柄连杆机构可以换算成图3 3 简化模型。其中， l 为连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离，m r 为曲轴的半径，指连杆轴颈中心和曲柄旋转中心的距离，m a 曲轴转角，指曲轴偏离滑块( 或气缸) 中心线的角度，r a d b 连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离滑块( 或气缸) 中心线的角度， t a d 。曲轴旋转角速度，r a d s p 广指气缸内气体对活塞的压力，n p 采一指水泵中的水压给柱塞的压力力，n 1 4 青岛大学硕士学位论文 3 1 2 运动学及动力学分析 ( 1 ) 运动学分析 如图3 3 ，滑块位移x ，指活塞由上止点开始向下止点运动的距离，上、下止点 分别指活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的位置。活塞在气 体压力的作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲轴的旋转运动。对曲 柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为曲轴作匀速旋转运动，并 将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角a 的函数。 滑块从上止点算起的位移x 式中 其中 为连杆【：l r l x = r ( 1 一c o s a ) + l ( i c o s ) 口= a r c s i n ( a s i n a a ) 3 - ( 6 ) 3 一( 7 ) 故，x = r ( i - c o s a ) + 去( 1 一r 二j 丽) 】* r 【( 1 一c o s 扰) + 等( 1 一c o s 2 口) 】3 一( 8 ) 滑块速度v 滑块的加速度 式中， 称为滑块的一级加速度 v = = c 0 r ( s i n x c o r ( s i n a + - 詈is i n 2 a ) v ； = a = x = 2 r ( c o s a + _ , c o s 2 a ) a l = c 0 2 r c o s a a 2 = 口2 r 2 c o s2 a 1 5 3 一( 9 ) 3 - ( 1 0 ) 3 - ( 1 1 ) 3 一( 1 2 ) 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 称为滑块的二级加速度 ( 2 ) 动力学分析 往复惯性力p ， 往复惯性力p ，的方向始终沿着气缸中心线的方向，与活塞加速度a 的方向相 反， p j = 一m b a = 一m b 9 0 2 r ( c o s a + 2 c o s 2 a ) 3 一( 1 3 ) 式中， 2 m e a t = 一m e 脚2 r c o s o 3 一( 1 4 ) 称为一级往复惯性力； p j 22 m 8 a 22 一m b o ) 2 r a c o s 2 a 3 一( 1 5 ) 称为二级往复惯性力 旋转惯性力p l ( 离心惯性力) 离心惯性力r 的方向始终沿着曲柄半径且背离曲轴旋转中心 力p ，和推动力p 忽略大气压力和活塞、滑块的摩擦力的条件下，滑块顶部受到的力p ， p r = p 气一p 水 3 一( 1 6 ) 3 一( 1 7 ) 可以认为力p ，是作用于滑块销轴线与气缸轴线的交点处；往复直线运动质量 的惯性力p ，也被认为是作用于这个点上。至于重力和摩擦力，则由于同的p ，大小 比较而太微小，所以在强度计算时不予考虑，仅在确定功率损失时此两力才被 注意。 作用于活塞销的总的力p 由下式得出。 1 6 青岛大学硕士学位论文 p 称为推动力。 曲柄连杆机构传递的力 p = p r + p j 3 一( 1 8 ) 确定推动力p 的数值后，如图3 4 ，可以求出发动机工作时候曲柄连杆机构所传 递的力。若把力p 分解为沿连杆轴线方向的分力p 和垂直气缸轴线作用的分力n i 时 候，有 p ：l 。c o s , o n l = p t a n f l 对于曲柄的连杆轴颈，可求出力r 的径向分力r 。和切向分力t 3 一( 1 9 ) 3 一( 2 0 ) r f = p , , c o s ( 口+ ) = 墨型c o 堡s 乏j 盟p 3 一( 2 1 ) 卫= 只s i n ( 口+ ) = 警c o s p 3 一( 2 2 ) a 其中，t 决定着由单缸发动机发生的并作用在曲轴上的扭矩值批 m q - - t , r 1 7 3 一( 2 3 ) 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 3 2 模型假设 图3 4 传给曲柄连杆机构各部分的力 ( 1 ) 假设缸径d ，连杆长度l ，缸距k ，曲柄半径r 等因素不变： ( 2 ) 假设连杆杆身截面为工字型，且外形尺寸比例一定： ( 3 ) 假设连杆小头内径d ：。、外径d 。以及小头宽度b ：跟连杆杆身截面积f 的比例d ：。f = 九：，d = f = 。，b 2 f = 。： ( 4 ) 假设连杆大头内径跟连杆轴颈d 。直径相等，大头宽度与连杆轴径长度1 。相等，大 头外径d ：与主轴径直径d 。比例为常数d 。d 3 = 。： ( 5 ) 假设d 。d 3 _ 。，1 。d 3 ，： ( 6 ) 假设曲柄臂宽度b 。与厚度h 。的比b 。h ，= 。： ( 7 ) 假设平衡重形状为扇形，其厚度跟曲柄臂厚度h 。相同，半径r p ： ( 8 ) 假设平衡块质量和曲柄旋转质量存在比例关系， ：n b i i l 。 3 3 设计变量 x = i x lx 2x 3 】1 = i fd 3h 3 】7 1 8 青岛大学硕士学位论文 f 一毫杆杆身截面积，m 2 d 一主轴径的直径，m h ，一曲柄壁的厚度，i n 3 4 目标函数 3 4 ，质量最小化目标 m i 连杆质量，k g m ，一曲轴质量，k g f l ( x ) = 3 m l + m 2 n 、k 一一分别是连杆的密度和体积 岛、一一分别是曲轴的密度和体积 3 一( 2 4 ) 3 4 2 摩擦损失功率最小化目标 曲轴轴承和连杆轴承的摩擦损失功率： n 2 【1 2 1 1 0 m 扣丽西而z ，+ 1 1 3 8 1 0 5 历”】x 【f 再+ ( 川) 厄丽 3 - ( 2 5 ) m 厂一活塞连杆组的当量质量，k g m d = m p 褂一活塞、滑块、柱塞、链接活塞与柱塞的连接杆、柱销等总质量，k 8 m 。连杆质量，k g 1 广连杆轴径长度，m d 广连杆轴径直径，m l 厂主轴承长度，m ，l j = l o - l 广2 h 。 d 厂主轴承直径，m 1 9 3 - ( 2 6 ) 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 3 5 约束条件 3 5 1 强度约束 ( 1 ) 连杆强度约束 连杆杆身在摆动平面内压缩和纵向弯曲所引起的合应力 图3 5 杆身计算截面 y 3 一( 2 7 ) 3 - ( 2 8 ) 活塞运动到上止点时候，气体刚开始膨胀做功时后，p 达到最大值p 。( 没有考虑 水压力p t 的变化) p 。= p r + p 厂_ - 气体刚开始膨胀做功时后，推力p 达到的最大值 以一一杆身材料的弹性极限， 厂一一杆身截面的面积，肌2 r k d 一吗 叫面 叫桃 p f 口一f p一， p一， 仃 q 青岛大学硕士学位论文 l 一一杆身长度，大小头中心之间距离，m e 一一杆身材料的弹性模数， l 一一杆身截面对垂直于摆动平面的轴线的转动距，珊4 l 一一杆身截面位于摆动平面的轴线的转动距，小4 设豢暑5 c ( 对各种钢材可取为o 0 0 0 2 - 0 0 0 0 5 ) 则上式可以简化为 咿c r l z ，7 p 喝手 s 地。， 盯，= ( 1 + 。i l l 2 ，f ) p _ ，i = x ：7 p 3 - ( 3 。) 在现有内燃机结构中k - * k 2a 1 1 1 1 5 ， o r a us 纠= ! 疗 其中，疗为安全系数n = 1 5 - 2 5 。 连杆杆身由最大惯性力引起的拉应力 其中，p 。最大惯性力 p m o m2 亍 由于p j = m b a = - 。m b 国2 r ( e o s a + a c o s 2 口) 所以在上止点处，( 3 1 = o 时候，p ，达到最大值， 2 1 3 一( 3 1 ) 3 一( 3 2 ) 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 p i 。= - m b 矿r 0 + a ) ，一一杆身截面的面积，埘2 盯。b 】- 一o r n 3 一( 3 3 ) 3 一( 3 4 ) 其中，1 7 为安全系数n = 1 5 - 2 5 ( 2 ) 曲轴的强度约束 曲轴受力应力最集中的地方在主轴颈跟曲柄臂交接的圆角处和连杆轴颈跟曲柄 臂交接的圆角处。而这两者中又以后者的应力最大。因此校核连杆轴颈与曲柄臂交 接的圆角处的应力即可。 连杆轴颈与曲柄臂交接的圆角处的弯曲应力 连杆轴颈圆角处的名义弯曲应力 盯：堕 “w b 虬一是曲柄臂中央处的弯矩值 1 m b = 亡p ( l o l ，一h 3 ) 二 其中1 o 一是缸距， m l 一连杆轴颈长度，i l l h 一曲柄臂厚度，m w r 一曲柄在曲拐平面内弯曲时的抗弯截面模数， m 3 n 为安全系数，n 1 5 砜：攀 o c r n 。- o l = 詈 3 一( 3 5 ) 3 一( 3 6 ) 3 - ( 3 7 ) 青岛大学硕士学位论文 连杆轴颈与曲柄臂交接的圆角处韵切应力 本装置为三缸结构，主轴上没有载荷输出，放第二个曲柄的扭矩最大。 假设点火顺序为卜2 3 ，则点火时刻相差2 4 0 0 = 4 3 总扭矩t = t ：+ t 2 令 其中， 名义切应力 t l = 删n ( 口垌= 鼍铲只 t ：s i n ( a 2 + p 2 ) 只 。 c o s 艮 1 s i n 口1 s j i l lbr九 3 一( 3 8 ) 3 - ( 3 9 ) 3 - ( 4 0 ) 垫：兰： ；口：口+ 孥 3 一( 4 1 ) 。s i n p 2 一r 石；口2 卸+ 了 一 ：与：卫：唑3 一( 4 2 ) 铲五翌2 五4 至t 42 主蓥 p “2 1 6 d 3 1 6 d 3 1 6 d 3 tr _ 琏杆轴颈名义切应力，m p a d 连杆轴颈外径，m d ，连杆轴颈内径，m n 为安全系数， s p 】= 三 n 3 - ( 4 3 ) 第三章c p i c p 曲柄连杆机构的优化建模 艿6 0 3 5 2 其他约束 ( 1 ) 连杆大头径须小于气缸径和滑块直径，便于安装。 d 广连杆大头内径，m 卜气缸直径，i l l ( 2 ) 变量非负约束 3 6 数学建模 3 6 1 设计变量 d 2 0 3 一( 4 4 ) 3 - ( 4 5 ) 3 一( 4 6 ) x = i x l x 2 x 3 】1 = i f d 3 h3 】7 3 - ( 4 7 ) 3 6 2 参量变换 为了建立模型，便于求解，需要把一些变量，转化成只用变量x 及常量表示的形式。 ( 1 ) m ，= 岛刀x 2 2 ( 1 一 2 2 ) ( l o 一厶x 2 2 x 3 ) 3 - ( 4 8 ) m = m + m 2 + 2 m 。p r = 岛【詈( 也2 一d 3 2 ) b + i f t l u ：2 d ，2 ) k + 2 r b 扭，暴】 ( 2 ) = 3 2 4 ( d 3 2 一d j 2 ) 1 3 + 4 ( d 2 2 d ，2 ) b + r b ，h ，】 3 一( 4 9 ) 2 岛【三( 丸2 x ：2 一2 如2 ) 4 x z + 詈x ：3 ( 五2 一五2 ) 4 + 耽x 3 2 = p 2 i ”o 扪九_ x ：3 + 三x ：( 2 一磊2 ) 厶+ p a x , = 1 青岛大学硕士学位论文 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) m b = 口+ 埘i + m 3 = m ，+ - 等- 2 而( 2 l 一工- 。a 3 - - x 2 屯) + 蕊。3 似2 一兄：2 ) 兀】 k = 牡专一净+ 孔：2 ) b ：+ 三( 略d 3 2 地 = f ( l f z ；h 一竿) + 秒公公泸五 + 三( b 2 + 五2 一d ，2 九2 ) d 3 。五 = f ( 2 l 一五一皿五) + 三厂3 ( 五2 如2 ) 丑+ 三岛3 ( 五2 一凡2 ) 丑 = - 专- ( 2 l 一五乃一t 五) + 詈x ，3 ( 乃2 乃2 ) 五+ 三x ：3 ( 五2 一磊2 ) 乃 3 一( 5 0 ) 3 - ( 5 1 ) 巧= 6 v , + 6 r b s h s + 3 4 ( d 3 2 一d ，“) l ，+ 4 i _ u 3 2 一u 3 t 2 ) l j = 6 丸m 。岛+ 6 r a s x 3 z + 等( 1 一 2 ) 九2 厶x ：3 3 一( 5 2 ) - 7 x 2 2 ( 1 2 ) ( l o 一乃x 2 - 2 x ，) m 2 a 巧= - 譬 2 x , ( 2 l 一五乃一恐五) 3 一( 5 3 ) + 嬲。3 ( 五2 一五2 ) 丑+ 艇2 3 ( 五2 一九2 )