基于MATLAB的单缸内燃机曲柄连杆机构动力分析.doc

浙江树人大学 ( 310015)徐梓斌闵剑青黄小莹沈国珍摘要 :以 MA TLAB 的动态仿真工具 Simulink 、SimMechanics 为平台 ,建立了单缸内燃机曲柄连杆机构动力分析的仿真模型 ,设置各项参数后执行仿真 ,结果表明该仿真方法能方便 、准确地得到机构的运动 、动力数据 ,能为机构的选型 、优化设 计提供参考依据 。关键词 :曲柄连杆机构 动力分析 SimMechanics 单缸内燃机 仿真 MATLAB文献标识码 :A中图分类号 :TP391 . 9The Dyna mic Analysis of the Crank2Connecting Rod of Single2Cyl inder Internal Combustion Engine Base on MATL AB Xu Zi2bin Min Jian2qing Huang Xiao2ying Shen Guo2zhenAbstract : Base on Simulink/ SimMechanics which is a dynamic simulation tool p rovided by MA TLAB , a simulation model of dy2 namics analysis is established in t he Crank2Connecting Rod of Single2Cylinder Internal Combustion Engine. Af ter t he set ting of all simu2 lation parameters , t he simulation is carried out , t he result show t hat t he motion and d ynamic data can be acquired conveniently and ex2 actly , t he reference of choosing mechanism and optimizing design can be p rovided.Key words : t he crank2connecting rod mechanism ; dynamic analysis ; SimMechanics ; single2cylinder internal combustion engine ;simulation ; MA TLAB2 . 1 机构的运动简图1引言机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动即位移 、速度和加速度随时间变化的关系 ;动力学则是研究 产生运动的力 。通过对机构运动学 、动力学的分析 ,可以清楚 了解内燃机工作机构的运动性能 、运动规律等 ,从而可以更好 地对机构进行性能分析和产品设计 。传统的内燃机工作机构 运动学 、动力学分析方法主要有图解法和解析法 。但是过去 由于手段的原因 ,大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析 表达式 ,却难以计算出供工程设计使用的结果 ,不得不用粗糙 近似的图解法求得数据 。近年来随着计算机的发展 ,可以利 用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程 。MA TLAB 是由美国 Mat hworks 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 程学科计算机辅助分析不可缺少的基础软件 ,它由 MA TLAB 主包 、Simulink 组件以及功能各异的工具箱组成 , SimMechan2 ics 是 MA TLAB6 . 0 及以后版本中的一个工具箱 ,它的主要功 能是预先对机构动态系统进行建模 、仿真和分析 ,在形成实际 系统之前 ,能进行适时的修正 ,以减少系统反复修改的时间 ,实现高效开发的目的 。l - 连杆长度 ,连杆大 、小头孔中心的距离 ; r - 曲柄半径 ,曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离 ; - 曲轴旋转角速度图 1 曲柄连杆机构的运动简图如图 1 所示为 S195 柴油机的机构运动简图 ,曲柄连杆机 构由活塞组 、连杆组和曲轴组等三大部件组成 。其中活塞组 包括活塞 、活塞销 、活塞环 、挡圈等零件 ,它沿气缸做往复直线 运动 ;连杆组由连杆及附件 ( 连杆衬套 、连杆轴瓦 、连杆螺栓 等) 组成 ,它做平面运动 ;曲轴组包括曲轴 、曲柄臂 、主轴颈等 , 它绕曲轴轴线做旋转运动 。2 . 2 仿真模型建立SimMechanics 为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段 ,一切工作均在 Simulink 环境中完2 机构建模 、仿真方法作者简介 :徐梓斌 ,男 ( 1968 - ) ,浙江建德人 ,浙江树人大学高级讲师 ,1991 年毕业于浙江工业大学 ,2003 年获浙江大学工学硕士学位 ,现主要从事计算机辅助设计 、机械 CAD 方面的教学与研究工作 ,发表学术论文 10 余篇 。成 。它提供了大量对应实际系统的元件 ,如 :刚体 、铰链 、约束 、坐标系统和传感器等 。使用这些模块可以方便的建立复杂机 械系统 的 图 示 化 模 型 , 进 行 机 械 系 统 的 单 独 分 析 或 与 任 何 Simulink 设计的控制器及其它动态系统相连进行综合仿真 。根据机构运动简图 ,用 Simulink 以及 SimMechanics 中提 供的模块 ,参照图 1 所示的运动简图 ,将这些模块连接起来 , 得到如图 2 所 示 的 仿 真 模 型 。其 中 , Ground 和 4 为 机 架 模 块 ,1 、2 、3 分别代表曲轴 、连杆 、活塞三个刚体模块 , A 、B 、C3 为转动副模块 , C4 为移动副模块 ,Joint Initial Condition 为初 始条件模块 ,Joint Sensor 为运动副传感器模块 , Body Sensor 为刚体传感器模块 ,Scope 为显示模块1 。2 . 3 模块参数设置仿真模型建立完成后 ,要对每个模块进行参数设置 ,以连 杆为例 ,双击模块 2 可以得出如图 3 所示的对话框 ,从该对话 框可以看出 ,需要输入的刚体参数有 :连杆的质量 、惯量矩阵 、 刚体坐标和质心位置 。其中惯量矩阵为 :图 2曲柄连杆机构的仿真模型IIIx xxyxzT =IyxIyyIyzIz xIz yIz z矩阵中的 I x x 、Iyy 、Iz z 分别为刚体绕通过质心与所定义的刚体固连坐标系各坐标轴方向一致的坐标系中 X 、Y 、Z 轴的 转动惯量 。= ( y2 + z 2 ) d mI x x图 3连杆模块参数设置界面转动惯量矩阵为对称矩阵 , 即 I x y = Iyx 、I xz =Iz y 。Iz x 、Iyz =Iyy = ( x 2 + z 2 ) d m= ( y2 + x 2 ) d mIz z刚体转动惯量矩阵各元素可通过实验测试和理论计算的方法来确定 ,而通过 Pro/ E 软件分析模块中的质量特性分析 功能来确定也是一种有效的方法 。实验测试的方法较繁琐 , 易受到条件的限制 ;用理论计算的方法对形状规则的刚体比 较容易计算 ,对于形状不规则的刚体 ,计算过程非常复杂 ,要 用积分的近似计算方法来计算 ; 用 Pro/ E 软件计算来确定则 基本不受条件的限制 。将相关的惯量矩阵及其它参数填写到每个刚体的参数编I xy 、I x z 、Iyz 分别为刚体对通过质心且与所定义的刚体固连坐标系各坐标轴方向一致的坐标系中 X Y 、Y Z 、X Z 平面的 惯性积 。I xy = - x yd m= - yz d m= - x z d mIyzI xz辑框中即完成了参数设置 。2 . 4 仿真要对刚体或运动副进行分析 ,先要接出传感器模块 ,既可 以使用 MA TLAB 自身的图形和 Simulink 的示波器显示仿真 结果 ,还可以依赖虚拟现实工具箱 ,对仿真的机构进行动画显 示 。单击 Simulation/ environment . . . , 选择 Visualization 标签 , 可以进行输出显示的设置 。仿真参数设置完成后 ,启动仿真 ,即可得出仿真结果 。3算例表 1图 5 曲轴受力分析结果显示曲柄连杆机构质量特性参数组件名称质量特性参数活塞组连杆组曲轴组质心 ( mm)质量 ( kg)(0 . 04 ,0. 34 ,44. 93)1 . 325( - 0. 02 , - 0. 03 ,150. 57)1 . 9538( - 11. 28 ,0. 22 ,7. 396)12 . 649Ixx18111545935188Ixy0- 0 . 51- 85 . 13转 动 惯 量Ixz0 . 99- 4 . 33- 1233. 9Iyy20001438764465图 6 仿真结果的动画显示3结论通过仿真能方便 、快捷 、准确的得到机构的运动 、动力数 据 ,改变曲 轴 的 质 量 特 性 参 数 ( 如 质 心 的 位 置 、质 量 的 大 小 等) ,可以观察对机构运动 、受力的不同影响 , 能为机构的选 型 、优化设计提供参考依据 。使用同样的方法 ,可以对四杆机 构 、齿轮机构等其它类似机构进行运动分析 ,为机械系统的建 模仿真提供一个强大而方便的工具 。与其它通过编程实现的 运动分析仿真方法3 4 相比 ,其框图化的设计方式和良好的 交互性 ,对工程人员本身计算机操作与编程的熟练程度的要 求降到了最低 ,使原来看起来很复杂的机构系统仿真问题可以比较容易解决 。Iyz9 . 18- 37 . 8150 . 96Izz1719. 61363. 556350对于 S195 柴油机曲柄连杆机构活塞组 、连杆组和曲柄组的质量特性参数如表 1 所示2 ,连杆长度为 210mm ,曲轴半 径为 57 . 5mm ,曲轴转速为 2000r/ min ,经过仿真 ,活塞的速度 和加速度曲线如图 4 所示 ,曲轴运动副的受力如图 5 所示 ,机构仿真的动画显示如图 6 所示 。参考文献1薛 定 宇 , 陈 阳 泉. 基 于 MA TL AB/ Simulink 的 系 统 仿 真 技 术 与 应 用M . 北京 ,清华大学出版社 ,