汽车单缸发动机活塞连杆机构优化设计

天津理工大学中环信息学院2016届本科毕业设计说明书毕业设计汽车单缸发动机活塞连杆机构优化设计姓 名： 张玉东 学 号： 12130054 班 级： 12机械2 专 业：机械工程及自动化 所在系： 机械工程系 指导教师： 马文朋 汽车发动机活塞连杆机构优化设计摘要在发动机设计中,气缸内气体压力和零件惯性力引起的活塞侧压力及机体干扰力是首先要考虑的问题。如果这些动态力过大,将使机构间摩擦力增大,加剧了零件磨损程度并引起发动机震动,降低了发动机效率和车辆的舒适性。本文在活塞连杆机构理论分析的基础上,利用多体动力学理论、三维造型软件Pro/E及动力学分析软件ADAMS对发动机活塞连杆机构的动力学问题进行了编程计算和虚拟样机仿真模拟分析。并以S195柴油机为研究对象,对额定工况下S195柴油机的示功图和活塞连杆机构的动力学公式进行了编程计算,绘制出机构动态力随曲轴转角的变化曲线。然后在Pro/E中建立S195柴油机活塞连杆机构的虚拟样机模型,导入ADAMS中进行动力学分析,绘制出虚拟样机模型中各连接位置处动力仿真结果曲线。关键词：活塞连杆；ADAMS；Pro/E；建模仿真Automobile engine piston connecting rod mechanism optimization designABSTRACTIn the engine design, the gas pressure in the cylinder and parts of piston side pressure caused by inertial force and force first question to consider is the body interference. If the dynamic force is too big, will lead to increase the friction between the agencies, exacerbating the parts wear degree and cause the engine vibration, reduce the engine efficiency and comfort of the vehicle. Crank connecting rod mechanism is presented in this paper, on the basis of theoretical analysis, using the theory of multi-body dynamics, 3 d modeling software Pro/E and dynamics analysis software ADAMS dynamics of internal combustion engine crank connecting rod mechanism is the programming calculation and the analysis of virtual prototype simulation. And the S195 diesel engine was taken as the research object, under the rated conditions of S195 diesel engine indicator diagram and the programming of the dynamic formula of crank rod system calculation, dynamic map mechanismKey words: the piston connecting rod; ADAMS; Pro/E; Modeling and simulation第一章绪论目录第一章绪论11.1意义11.2活塞连杆机构的工作特点与设计难点11.3研究现状及手段21.4究内容和方法3第二章活塞连杆机构虚拟模型32.1活塞连杆机构的零件模型一32.2活塞连杆机构的装配模型7第三章活塞连杆机构的运动学和动力学分析83.1ADAMS及其基本原理83.2ADAMS中的运动学和动力学分析123.3活塞连杆机构的结构优化设计14第四章结论194.1 结论19参考文献20致谢21第一章绪论1.1研究的意义发动机是目前世界上应用最广泛的热动力装置,自年法国人设计出第一台煤气发动机以来,发动机无论是在结构上还是在性能上都较以前有了很大的进步。在现今社会,几乎所有的交通工具都以发动机做其核心的动力源。科技进步不仅推动了发动机的发展,也对其性能提出了更高的要求燃料燃烧的高效低污染、使用的稳定性以及更长的寿命等。这都要求发动机改进设计优化结构以减少工作过程中的各种动态力。活塞连杆机构的设计是否合理将直接影响发动机的功率、排放、可靠性和使用寿命等重要性能。随着计算机技术的发展,设计过程中计算机辅助设计手段的利用程度已成为衡量发动机性能优劣的标准之一 “。欧洲、美国和日本等汽车工业发达的国家,汽车发动机设计全部利用技术,这也使得他们的发动机性能优良。美国评选的年全球十佳发动机,前三名来自于德国的奥迪和宝马公司,其余的也全部由美国和日本设计生产。目前我国对这些先进手段的利用程度还很低,虽然国内很多发动机研究所已经认识到这些,也都大力引进和发展这些先进的技术手段,但由于资金和人才缺乏再加上国外的技术封锁,真正拥有自己的一套技术的还很少。加入后的中国面对的是全世界的竞争,中国的机械行业要达到发达国家水平,必须掌握先进的产品开发工具。1.2活塞连杆机构的工作特点与设计难点发动机活塞连杆的设计原则是解决工作过程中惯性力的平衡及改进结构以减少活塞对气缸壁的侧压力,并降低发动机的振动,但工作环境的瞬变使得这些分析十分困难。在工作过程中,活塞顶部受力变化复杂,上下运动时活塞对气缸壁产成很大的侧压力,降低了发动机工作效率,活塞环亦容易损坏连杆做复杂的平面运动且质量较大,平面运动产生的惯性力也不容忽视的,连杆长度的微小变化也对机构产生很大的影响飞轮曲轴的模态对发动机工作的稳定性和寿命有很大影响,要设计出合理的活塞连杆机构,还要考虑发动机布置方式和工作场合,约束因素较多,设计难度非常大。传统的方法是对结构进行简化计算并与样机试验相结合进行设计。这种方法得到的结果往往存在较大的误差,很难获得理想的结构参数,且劳动强度大,开发周期长,浪费人力物力。借助先进的计算机辅助设计手段,设计人员的劳动强度已有所降低,产品开发周期也有所缩短。但仍有一些难题无法解决,如机构连接处动摩擦力和零件变形等,有待进一步完善。1.3国内外研究现状及手段市场竞争的加剧要求厂家必需缩短产品开发周期以增强市场竞争力,同时,为了提高质量、降低成本,又需要做大量的实验分析和数据处理。这使得现代设计理论和计算机辅助设计系统得以快速发展。在发动机产品设计开发过程中应用比较广泛的现代设计理论有计算机辅助设计、多刚体动力学分析、有限元分析、计算机辅助工程热力学以及综合利用这些理论的优化设计。1.3.1计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计是从60年代发展起来的,是现代设计方法的一个重要分支,它从根本上改变了机械设计的传统模式,引起了工程设计领域的深刻变革,并由此而发展派生出了计算机辅助分析(CAE)和计算机辅助制造(CAM)。目前国外在这方面的技术已经十分成熟,知名的三维CAD软件主要有法国达索公司的CATIA、美国EDS公司的、UG、SDRC公司的I-DEAS和PTC公司的Pro/E。最近更流行的是基于变量的三维设计软件(I-DEAS),PTC公司的基于全参数化的三维软件Pro/E已经没有前几年那么强势。我国也开发出了三维建模软件CAXA。1.3.2多体动力学分析多体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术,MBS提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段,在机械设计领域的应用越来越广泛。多体动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学,多刚体系统动力学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。多柔体系统动力学是由刚体和柔体混合组成的系统。对发动机产品的装配模型进行机构运动仿真,可校核部件运动轨迹,及时发现干涉对装配模型进行动力学仿真,可模拟机构运动过程中的载荷分布,对零件强度分析起指导作用利用多体动力学理论,还可以对机构进行优化设计。对系统进行多刚体动力学分析需要大量的计算,多柔体系统的计算则更加复杂。在计算机技术高度发达之前,该理论只应用比较简单的刚体系统,但是随着计算机的发展和CAD技术的成熟,美国MDI公司已经开发出了比较完善的多刚体动力学分析软ADAMS,其不但适用于多刚体系统的动力学分析,而且可以进行多柔体系统的动力学分析。目前已经被世界上数百家制造商采用。1997年美国登陆火星的研究中就利用了该软件,当然,其售价也是十分昂贵的。其他的多刚体动力学分析软件还有PTC公司的Pro/Machanical、Working model 3D以及I-DEAS软件的Simulation模块等。目前国内还没有这方面的软件,只有少数大学进行了机构运动、动力仿真分析方面的研究和局部应用，但都很少应用于生产，相关资料也不多。 1.3.3有限元分析 有限元分析早在20世纪20年代就有人提出，但是由于其庞大的计算量，并没有被广泛应用，随着计算工具的进步，有限元计算过程中大量的计算被简化为计算机的后台操作，使得有限元分析方法的应用有了今日崭新的阶段。内燃机设计过程中很大一部分的工作是计算零件的强度性能、可靠性以及耐久性等，特别是活塞组的祸合应力分析。早期的研究中，在活塞组和缸套间传热的问题上，多以稳态传热研究为主，误差很大。近年来，祸合模型开始出现在国内外内燃机的研究课题中，其中对活塞组部分的研究最为突出，国内也对祸合模型进行了研究。祸合方法是部分专家在对内燃机工作部件内部环境作深入研究时提出的一种新方法，现代内燃机传热研究的一个重要方向是把气缸内气体流动、燃烧、对流、传热、辐射传热模型与燃烧室部件整体(缸盖一缸套一活塞)祸合起来对活塞组进行分析。由此可知，祸合方法是以后的发展趋势，如果使用得当，它可以解决因活塞组与缸套之间相对移动而导致边界条件难以确定的问题。目前，国外普遍采用CFD (Computational Fluid Dynamics)和FEA祸合的方法进行活塞组等内燃机部件的传热研究，通过CFD计算得到活塞顶工质的温度及换热系数以及缸套冷却水的温度和换热系数，将之作为FEA的第三类边界条件计算。国内对于这方面的研究还很少见诸报道。1.3.4优化设计理论 机械优化设计就是把机械设计与数学规划理论及方法相结合，借助电子计算机，寻求最优设计方案。现在优化设计理论已相当成熟，有多种优化算法可供研究者参考，如人工蚁群算法、遗传算法等。在各种计算软件已经相当成熟的今天，如何更好的利用各种计算软件对所涉及的问题进行优化并得到可靠结果是研究的重点。在内燃机中应用优化设计的目的是在不降低内燃机性能和寿命的情况下，如何减小动态力、降低重量和降低成本。内燃机设计过程涉及的约束条件多，设计目标也多，是典型的多目标优化设计问题。目前国外的科研机构已经可以利用各种工具对内燃机整机进行优化。国内也有很多科研机构对内燃机零件进行优化设计，如气门弹簧、活塞、连杆、曲轴等，并接取得了很好的成果。1.4主要研究内容和方法对发动机活塞连杆机构理论分析的基础上，利用数值计算和虚拟仿真方法，对发动机活塞连杆机构进行动力学分析，然后在分析的基础上对机构进行优化设计。运用Pro/E软件对活塞连杆机构进行零件建模和模型装配，并进行运动仿真。查阅相关资料和文献，了解汽车发动机活塞连杆机构的工作原理和结构，确定本设计的总体方案；利用所学机械专业知识，选择主要零件的机构尺寸，并进行强度校核；利用Pro/E软件建立各零部件的实体模型并进行装配，进行机构运动仿真，输出运动结果；绘制主要零件的三维视图。第二章活塞连杆机构虚拟模型对发动机活塞连杆机构在计算机中进行动力学仿真时,必须建立含有发动机活塞连杆机构质量特性参数的虚拟模型,但是一般动力学分析软件三维建模功能都比较弱,样机虚拟模型多采用专业的三维CAD软件创建,然后再利用专门的接口将CAD软件建立的虚拟样机转换到多体动力学分析软件中。目前,国内外市场上流行的三维CAD软件很多,现在比较常用的有CATIA、UG、I-DEAS和Pro/E等,其中I-DEAS是基于变量的三维CAD软件,达索公司和EDS公司也分别推出了半参数半变量化的CATIA和UG的升级版本。PTC公司的Pro/E是基于全参数的三维设计软件,它在前几年因这个优势在全球占有很大市场,近年来因为全参数化绘图约束条件多,限制了工程设计人员的创造性,国际上很多大公司多采用基于变量的I-DEAS软件。本文采用PTC公司的Pro/E作为三维造型软件,主要是考虑了该软件笔者使用比较熟练,而且它与多刚体动力学分析软件ADAMS及有限元分析软件ANSYS可实现无缝连接等原因。2.1活塞连杆机构的零件模型 以5195柴油机为例，利用三维CAD软件Pro/E对内燃活塞连杆机构的主要零部件进行三维实体建模，主要建立了活塞组:活塞、活塞销、活塞油环、活塞气环、档圈;连杆组:连杆体、连杆盖、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓;曲轴飞轮组:曲轴、主轴承、曲轴齿轮、飞轮、皮带轮、飞轮螺栓等零件，为了使仿真具体形象，本文也建立了缸体模型。为了准确的获得这些零件的质量特性参数。在造型时力求和实物相同。以得到准确的零件质量特性参数。刚体的质量特性参数包括质心的位置、质量和转动惯量，其中转动惯量用转动惯量矩阵描述:，矩阵中Ixx，Iyy，Izz分别为刚体绕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的X， Y， Z轴的转动惯量。=dm=dm=dm，分别为刚体绕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的XY, YZ, XZ平面的惯性积。=dm=dm=dmPro/E分析模块中的质量特性分析(Model Analysis)功能为刚体质量特性参数的确定提供了简便有效的方法。对于所建立的三维实模型，只需定义其材料属性和材料密度，调用质量特性分析模块就可以得到包括转动惯量矩阵在内的刚体质量特性参数。为计算活塞组、连杆组和曲轴飞轮组的质量特性参数，还需定义各组件的固连坐标系。本文定义活塞组固连坐标系(Piston_ Csys)的原点位于活塞销孔的中心位置，X轴与活塞销的轴线方向平行;Y轴与活塞销的轴线方向垂直，正向背离活塞顶部凹坑;Z轴沿活塞中心线方向，正向垂直向上。连杆组的固连坐标系(Rod_ Csys)建立在连杆小头中心，X轴方向沿连杆衬套方向;Y轴与连杆衬套方向垂直;Z轴正向指向连杆大头中心;曲轴固连坐标系(Crank Csys)的原点位于曲柄销对称平面与曲轴轴线的交点，X轴沿曲轴轴线方向，正向指向较长轴一端;Z轴正向指向平衡块一端。各组件见图: 活寒组 连杆组曲轴飞轮组在用Pro/E分析模块计算活塞连杆机构各组成零件的质量特性参数时，首先要确定零件建模时使用的单位制、零件的材料、密度和弹性模量等参数。因为建立的模型要转换到ADAMS/View环境进行分析，在制定模型单位的时候必须考虑两者的同一性。本文对零件建模时使用的单位进行自定义，均采用MMKS单位制，以实现两种软件单位的统一，并针对机构中每一零件定义了材质文件，实现对零件材料、密度和弹性模量的定义。为了保证计算结果准确可靠，对用Pro/E计算得到零件质量和实测得到的零件质量进行比较，若两者之间有较大误差(数模和实物存在形状差异)，可以通过修改该零件材质文件中的密度的方法调整，直到零件质量在允许的误差范围内。表3-1给出了活塞连杆机构各零件的材料、密度、计算质量和实测质量。可以看出通过Pro/E分析模块计算得到的零件质量和实际质量一致，可以认为得到的其它质量特性参数也是可靠的。曲车由飞轮组序号零件名称材料密度kg/m数量质量（kg）实测质量（kg）误差模型名称1活塞ZL82.8910 10.89660.8772%Piston2活塞销20Cr7.8210 10.36350.361%Pin3第一道活塞环铜铬铝合金铸铁7.8510 10.021670.027%Ring14第二、三道活塞环铜铬铝合金铸铁7.8510 20.043380.04164%Ring2Ring35连杆衬套ZQSn6-6-38.510 10.065720.06641%Bush6连杆螺栓40Cr8.510 20.11070.1191%Bolt7连杆体45钢7.8510 11.47621.4233%RodBody8连杆盖45钢7.8510 10.48790.46654%RodCover9曲轴 QT60-27.8510 113.31813.0622%Crank表3-1给出了用Pro/E质量特性参数分析模块计算得到的5195柴油机活塞连杆机构活塞组、连杆组和曲柄的质量特性参数。表3一2 S195柴油机活塞连杆机构各组件的重量特性参数质量特性 组件名称活塞组连杆组曲轴飞轮组 质量（kg）质心（mm）1.39（0，0.024，12.5）2.259（0，-2.8，156.8）14.2（9.897，0，7.69）转动惯量 （kgmm）Ixx18941517239338Ixy00-72Ixz001085Iyy21051355576305Iyz13.9483.13.9Izz18341939.2695722. 2活塞连杆机构的装配模型 活塞连杆机构零部件建模和质量分析完成后，在Pro/E装配模块下对5195柴油机进行装配，装配按照发动机壳体的绝对坐标进行。装配模型如图3-1:图2-1 195柴油机装配模型 在机构装配完成后，调用Pro/Mechanical模块，可对装配机构在Pro/E环境下进行简单的机构运动仿真，以在前期发现机构运动是否正确以及零件间是否存在干涉情况。第三章活塞连杆机构的运动学和动力学分析本章利用多体动力学分析软件ADAMS Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSy stem)进行活塞连杆机构多刚体动力学的分析和计算。3.1 ADAMS及其基本原理 ADAMS软件是由美国机械动力公司MDI（Mechanical Dynamics Inc)开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，其主要是对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，它代表了当今世界上多体动力学分析的最新成果，是世界上最具权威性的使用范围最广的机械系统动力学分析软件，全球市场占有率超过70%。ADAMS可以自动生成包括机一电一液一体化的复杂机械系统的多体动力学虚拟样机，从产品的概念设计、产品设计、方案修改、优化、试验到故障诊断阶段提供全方位、高精度的仿真计算结果。国外一些著名大学业已开设了介绍ADAMS软件的课程，将三维CAD软件、有限元分析软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。ADAMS一方面是机械系统动态仿真的应用软件，用户可以运用该软件方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口可以成为特殊行业用户进行特种类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。在产品开发过程中，工程师通过应用ADAMS软件会收到明显的效果。美国航空航天局（NASA)在登陆火星技术中太空舱着陆机构的设计利用ADAMS进行登陆仿真，提前发现了设计中的不足，使得登陆火星计划能够成功;美国福特汽车在一种新车型的开发中利用了ADAMS，使开发周期缩短了70天，节省设计费用4000多万美元。世界上最大的工程机械制造商Caterpillar公司的工程师们采用这项技术进行工程机械开发，在切削任何一片金属之前就可快速试验数几种设计方案。因此，他们不但降低了产品设计成本，缩短了开发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。ADAMS建立简单的虚拟样机比较容易，通过交互的图形界面和丰富的单元库，用户可快速地建立系统的模型。ADAMS与三维CAD软件（I-DEAS , Pro/E)以及CAE软件ANSYS可以通过计算机图形文件无缝连接以保证数据的一致性。而且ADAMS支持并行工程环境，可节省大量的计算机时。利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验验证和优化分析，为系统参数优化提供了一种高效开发工具。ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块:ADAMS/View(基本环境)、ADAMS/Solver (求解器)和ADAMS/PostProcessor(后处理)。另外还有一些特殊场合应用的附加程序模块，例如ADAMS/Car, ADAMS/Tire, ADAMS/Flex, ADAMS/Controls和Mechanism/Pro (和Pro/E的接口模块)等。在3个基本解题程序模块中，ADAMS/View是虚拟样机分析的前处理模块，提供了一个直接面向用户的操作菜单，包括各种建模工具、约束工具、仿真参数的设置窗口、与其他软件的接口以及与求解器和后处理等程序的自动连接等;ADAMS/Solver是求解机械系统运动和动力问题的计算程序，完成样机分析的准备工作以后，ADAMS/View程序可以自动地调用ADAMS/Solver模块，求解样机模型的静力学、运动学和动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回ADAMS/View操作界面。因此一般可以将ADAMS/Solver操作视为一个黑匣子”，只需熟悉ADAMS/View的操作就可以完成整个分析过程。ADAMS仿真分析结果的后处理可以通过调用后处理模块ADAMS/PostProcessor来完成。ADAMS/PostProcessor模块具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，绘制各种分析曲线，除了直接绘制仿真结果曲线以外，ADAMS/PostProcessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学统计计算和各种编辑，也可以输入实验数据绘制试验曲线同仿真结构进行比较。 ADAMS软件的核心理论是多体动力学，多体动力学由多刚体系统动力学和多柔体系统动力学组成。在应用多刚体系统动力学对复杂的机械系统进行运动学和动力学分析之前，一般要将实际的系统进行多体模型简化，然后建立起各刚体之间的动力学方程，并准确求解这些方程。在建立多体系统力学模型时，实际上是对仿真模型的构件(刚体)、铰(构件间的运动约束)、外力/外力偶和力元（阻尼、弹簧等)4个要素进行定义，模型的定义取决于研究的目的，重点是以建立能揭示系统运动学和动力学性态的最简模型为优。3.2 ADAMS中的运动学和动力学分析 LVIECHANISM/Pro(Pro/E接口)是MDI公司开发的连接三维实体建模软件Pro/Enineer与机械系统动力仿真软件ADAMS的专用接口，二者采用无缝连接，不需要退出Pro/E运行环境，就可以将Pro/E中的装配模型根据其运动关系定义为多刚体模型，调用ADAMS进行运动学和动力学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算约束副的作用力等。对ADAMS软件安装好Mechanism插件后，再对Pro/E中的protk.dat文件做简单修改并进行相关设置后，在Pro/E2001的装配模块中会新增Mech/Pro菜单，利用该菜单就可对Pro/E中的装配模型定义刚体和设置连接并输出ADAMS可直接读取的“. adm”文件。该数据转换方法不会有数据丢失，可将Pro/E中所有零件的重量特性参数完全同一的转换到ADAMS中，使得ADAMS的动力仿真分析准确。对于S195发动机的装配模型，为了在ADAMS中便于进行运动和动力分析，有必要对该装配模型进行简化，简化主要体现在以下几个方面:1、 对动力学分析不产生关键影响的零件进行删除或简化。如气缸体(简化为一简单支架和气缸套，并认为两者和大地固连)，正时齿轮等连接件;2、 为了方便添加约束，对实际的不对称件简化为仿真模型的对称件。如活塞裙部实际为椭圆形，建模的时候将其简化为圆柱形;连杆轴瓦实物为两片分开式，建模时将其简化为整体轴瓦。在输入前对活塞连杆机构模型进行合理的简化，输入ADAMS后可使仿真模型较为简明，方便添加约束，在保证仿真结果正确的前提下，减小了仿真计算的复杂性。3.2.1活塞连杆机构动力系统的约束和载荷 在ADAMS/View中读入活塞连杆机构后，选中刚体点击右键可以查看有关刚体的所有信息。因为在Pro/E装配体中没有定义重力，为了使仿真尽可能的和真实情况接近，在进行动力分析时加入重力设置。 建立活塞连杆机构动力仿真模型时，必须通过各种约束定义刚体相对运动关系，以约束的形式将不同的刚体系统连接起来构成一个多刚体动力学模型。根据活塞连杆机构的运动规律，进行刚体模型约束、驱动和载荷的定义。其运动约束主要有: 代替发动机气缸体的支架(Bracket)和大地(Ground)采用Fixed(固结)的约束方式连接，代表发动机是固定在大地上的，自由度为零; 气缸体内的气缸套(Sheath)与支架(Bracket)采用Fixed(固结)的方式连接，表示气缸套固定在支架仁气缸体)上; 曲轴飞轮组( ComCrank)认为是一个刚体，和支架(Bracket)采用Revolute (销)约束定义连接，定义方式采用 2 Bod-1Loc and Norm To Grid ，旋转点选取曲轴坐标原点(ComCrank Csys); 同理采用Revolute 销)约束2 Bod-1Loc and Norm To Grid的方式定义连杆与曲轴、活塞的连接。连杆大头与曲轴销连接，旋转中心选取参考坐标系(Ref Csys)原点，连杆小头与活塞销连接，旋转中心选取连杆坐标原点(ComRod_ Csys);活塞除了与连杆采用Revolute (销)约束连接外，还需定义活塞在气缸套内的往复运动。采用Cylindrical(圆柱)约束”2 Bod-1Loc”and”Pick Feature”的方式定义活塞相对于气缸套的运动，运动方向选取活塞坐标(ComPiston_ Csys)的Z方向。 在进行仿真分析时，由于各连接处润滑条件不能确定，导致摩擦系数无法确定，刚体连接处摩擦力无法估计，现有的资料中关于这方面的介绍也不是很完善。且在对活塞连杆机构进行动力分析时，主要考虑发动机工作过程中的不平衡惯性力、燃烧气体压力，以及由此而引起的活塞对气缸套的侧压力和推翻力矩，连接位置处的摩擦力对这些动态力的影响很小，可以忽略不计yob。因此笔者在分析时没有考虑运动过程和各连接处摩擦力的影响，但将重力和气缸内混合气体燃烧压力引入仿真分析内，其精度能够满足仿真分析目的的要求。 本文取5195柴油机的额定工况作为分析工况，定义载荷和驱动。5195柴油机额定工况下曲轴转速为2000r/min，取ComCrank与Bracket的Crank Jiont为驱动参照( Jiont肠pe)进行驱动定义，采用函数定义驱动转速，运动类型选取Displacement，这样就可以仿真5195柴油机额定工况下的转速。 在机构运动过程中，活塞顶面作用着随曲轴转角变化的气缸压力，在进行动力分析仿真的时候，必需真实的考虑进去，本文采用与Matlab结合的方法实现气缸内燃烧气体压力的加载。通过对5195柴油机工作过程的理论分析和Matlab的计算结果，已经得到5195柴油机额定工况卜气缸内压力随曲轴转角的变化曲线(图2-5)。将该变化曲线保存为Excel格式，在ADAMS中利用曲线绘制和定义子函数的方法将该压力变化曲线加载到活塞连杆机构模型的活塞顶面上，如此可以实现活塞连杆机构多刚体动力学模型中气缸内燃气压力的仿真。在定义该气体压力的过程中，因为曲轴转速恒定，可以将压力变化曲线表示成时间的函数。通过Matlab的计算可以得到压力变化数据表，将结果数据保存到ADAMS工作目录下，在ADAMS/View中利用创建Spline方式创建压力变化曲线，将气缸内压力变化数据文件导入活塞连杆机构模型，命名为:AirForce，压力变化曲线如图3-1: 图3-1刚体模型中气缸压力变化曲线压力变化曲线导入间定义一函数变化的力定义气缸内的气体压力ADAMS/View后，采用”Two Bodies在ComPiston(活塞)和Sheath(气缸套)之andCustom，的方式，用自定义函数的方法。如图3-2:图3-2刚体模型气缸压力仿真函数3.2.2活塞连杆机构动力学分析根据发动机不同工况下的工作特点，应用ADAMS进行动力学仿真，可在物理样机产生之前获得发动机活塞连杆机构各组件之间相互作用力曲线，以此来检验结构的合理性，并为具体零件的设计提供依据。3.2.2.1活塞连杆机构运动仿真分析 在ADAMS中对活塞连杆机构进行运动分析比较简单，只需定义好曲轴转速后，通过运动仿真，即可得到各连接部件的位移、速度和加速度。5195柴油机额定工况下曲轴转速为2000r/min，作为驱动条件加载到曲轴主轴颈处，通过运动分析，可得到活塞和连杆质心的速度和加速度变化曲线如图4-3，也可以将分析结果保存为数据表格。图4-3活塞与连杆质心速度、加速度变化曲线图中红线为连杆质心沿Y方向的速度和加速度，蓝线为连杆质心沿Z方向的速度和加速度。从图中可知连杆的加速度是非常大的，采用双质量代换的方法对连杆进行简化分析得到的机构惯性力会存在很大的误差。3.2.2.2活塞连杆机构的动力仿真分析活塞连杆机构运动过程中的动态力有:往复惯性力和离心惯性力、曲轴切向力和曲轴法向力、沿气缸中心线作用力、活塞组对气缸套的侧推力以及由此而产生的推翻力矩和连杆的惯性力等。在活塞连杆机构多刚体动力学模型中轴颈处受力情况可采用测量各连接约束副获得。因为多刚体模型中所有刚体的质量特性参数和实物一样，所以该方法获得轴颈处受力变化是真实可靠的。 在多刚体模型中，连杆小头与活塞销连接处的受力可以通过测量Pi stonRodRotate约束获得，该约束处Y方向的力为活塞对气缸壁的侧压力只，用PushForce表示，沿Y正方向为正;沿Z方向的力为气缸中心线作用力P，用TransForce表示;两者合力即为连杆小头沿连杆中心线的压力只:，用RodPre B表示;侧推力PushForce与活塞位移相乘可得发动机的翻转力矩，定义为OverMoment，逆时针方向为正。曲轴主轴颈处的受力可分解为曲轴切向力和曲轴法向力，在曲轴主轴颈处定义一固定在曲轴销上的坐标系Ref Marker(该点也是定义曲轴销与连杆大头约束副CrankRocRotate的参考点)。根据Ref Marker坐标轴的方向，该约束处沿Z方向的受力为曲轴法向力:用F CrankNor表示，沿Y方向受力为曲轴切向力:用F CrankTan表示。在测量这两个力的时候，选择自定义的坐标系Ref Marker作为测量力的参考坐标系。这两个力的合力为连杆大头沿连杆中心线方向的作用力，用RodPre T表示。模拟分析5195柴油机额定工况，得到在一个工作循环内活塞对气缸壁的最大侧推力为3646.4N，柴油机最大翻转力矩为956.78Nm，均发生在曲轴转角为381.6时。活塞对气缸壁侧压力和发动机翻转力矩随曲轴转角变化曲线如图3-4:图3-4活塞侧压力和发动机翻转力矩随曲轴转角变化曲线一个工作循环内最大曲轴法向力为38766.4N，最大曲轴切向力为16619.8N，分别发在曲轴转角374.4和381.6时。曲轴法向力和曲轴切向力随曲轴转角变化曲线如图3-5。图中曲轴法向力正方向沿Ref_Marker坐标的Z轴正向，曲轴切向力沿Ref_Marker坐标的Y轴正向。图3-5曲轴切向力和曲轴法向力随曲轴转角变化曲线通过仿真发现，由于连杆惯性力的影响，连杆小头轴套和大头轴瓦的受力并不相同，在气缸气体燃烧压力达到最高点时，连杆小头受力大于大头受力，而在气缸内气体压力比较小时，连杆大头受力大于小头受力。在一个工作循环内各自变化曲线如图3-6:图3-6连杆大头和小头受力随曲轴转角的变化在发动机工作过程中，受气缸压力和活塞连杆机构惯性力的影响，发动机会上下跳动，导致发动机上下跳动的力称为纵向干扰力，在仿真模型中可以通过测量曲轴主轴颈CrankRotate约束沿Y方向力获得，定义为JumpFor。仿真分析得到5195柴油机向上的最大跳动力为1336.9N，向下最大跳动力为3329N o一个工作循环内其变化曲线如图3-7:图3-7纵向干扰力随曲轴转角的变化3.3 活塞连杆机构的结构优化设计 通过上面的分析可以看出，5195单缸柴油机存在活塞组对气缸体的侧压力和翻转力矩大、动力输出不稳定、往复惯性力和离心惯性力的平衡不好等缺点。从而造成了该柴油机活塞环和气缸套摩擦力大、使用寿命低、发动机噪音大、燃油热效率不高等缺点。当然引起这些缺点的原因是多方面的，采用增加气缸数的方法就可以很好的解决上述问题。但是多缸发动机成本高，目前在农村使用的发动机大部分仍为单缸，所以在现有的基础上采用虚拟仿真的技术对单缸发动机的性能进行优化还是非常有必要的。 通过理论和仿真分析，可以发现通过改变单缸发动机的偏心距和零部件质心位置，会对活塞连杆机构的动力产生很大的影响。平衡活塞连杆机构惯性力最简单的方法是在曲柄臂上加平衡块，影响敷加平衡块平衡效果的主要因素有平衡块的几何形状和质量分布，反应在多刚体动力学模型上即为曲轴的质量特性参数，包括质心位置，质量大小和曲轴绕质心坐标轴的转动惯量等。曲轴旋转中心相对于活塞中心线的偏距对活塞测推力影响较大。分析研究这些参数与活塞连杆机构的惯性力之间的关系，对活塞连杆机构平衡方案的选择及相关参数的优化具有及其重要的意义。 在ADAMS中进行优化设计的时候，如果变量较多，往往会使得优化失败，且耗费大量的机时，故笔者在理论分析的基础上，定义对动力影响比较大的几个参数作为设计变量，并且活塞连杆多刚体机构的刚体形状也用简化的结构表示，以加快计算速度。简化的活塞连杆机构多刚体动力学模型利用ADAMS自身的建模功能即可完成，简化刚体的质量特性参数采用自定义的方法将上节得到的刚体质量属性输入。这样可使得分析具有比较性和足够的准确性。在简化模型中，活塞用Cylinder单元表示，曲柄和连杆用Link单元表示，定义活塞连杆机构多刚体简化模型的固连坐标系原点在曲轴的旋转中心，固连坐标系:轴沿曲轴旋转中心线方向，x轴取水平方向。刚体质心位置用在固连坐标系中的坐标(x，Y，z)表示。3.3.1曲轴多刚体模型刚体质心位置对发动机惯性力的影响 在多刚体模型中曲轴质心的:坐标对活塞连杆机构的惯性力没有影响，Y坐标值为零，在分析过程中可不考虑，在仿真分析时只考虑x坐标变化的影响。 定义曲轴质心的x坐标值为变量，用CrankCen表示，则曲轴质心坐标为:(CrankCen), 0.0,0.0)，定义CrankCen坐标的变化范围为717mm。 同理，亦定义连杆质心的x坐标值为变量，用RodCen表示，则连杆质心坐标可表示为:(RodCen),0.0,0.0)，定义RodCen坐标的变化范围为-120110mm。 考虑到活塞的对称性，可认为活塞组质心位于活塞运动中心线上，在活塞组只作往复运动的条件下，它的质心位置对活塞连杆机构的惯性力影响不大，可不予考虑。在对质心位置进行优化设计之前，应先对设计变量进行Design Study，以确定质心位置对惯性力影响的敏感区域，在敏感区域内对设计变量进行优化。通过Design Study可发现曲轴质心位置变化和连杆质心位置变换对发动机总体惯性力的影响如图3-8 ,3-9:图3-8曲轴质心对惯性力的影响图3-9连杆质心对惯性力的影响 由上图可以看出，曲轴质心位置的变化对惯性力有很大的影响。当曲轴质心x坐标在1014mm之间变化时，总体惯性力最大值较小，故在优化分析时取CrankCen变量的变化范围为1014mm;连杆质心的变化对活塞连杆机构惯性力的影响并不大，但是质心x坐标不能靠固连坐标系过近，太近会使得总体惯性力在瞬间变大几十倍。取优化分析时连杆质心x坐标CrankCen变量的变化范围为-115-1100在ADAMS/View中进行相关设置，采用OPTDES-SQP优化算法进行优化，Tolerance设置为0.001，最大循环次数为1000次。通过优化可得出当曲轴质心坐标为(11.06,0.0,0.0)连杆质心坐标为(-109.9975,0.0,0.0)时，总体惯性力最小且变化L匕较平稳，可认为是质心的最优位置。这时活塞连杆机构在活塞上止点位置的往复惯性力为-3649N，在活塞下止点位置的往复惯性力为964N。此时往复惯性力随曲轴转角的变化曲线如图3-10:图3-10优化质心坐标后往复惯性力随曲轴转角变化曲线3.3.2活塞连杆机构偏心距对气缸侧推力的影响 在分析曲轴偏心距对气缸侧推力和翻转力矩的影响时，用上节优化得到的曲轴和连杆的最优质心位置定义多刚体模型中曲轴和连杆的质心，进行偏心距的优化设计分析。在进行气缸侧推力和推翻力矩分析时，必须考虑气缸内燃烧气体压力的作用，应在活塞顶面上施加一函数变化的力，用来模拟燃烧气体压力，这样得到的分析结果才与实际相符。本文对偏心距不为零的活塞连杆机构活塞顶面压力的变化仍然采用S195柴油机额定工况下工作时气缸内燃烧气体压力变化函数。 在简化的活塞连杆机构多刚体动力学模型中，曲轴旋转中心、曲轴与连杆的铰接点以及连杆与活塞的铰接点分别用ADAMS中的点单元进行定义，通过调节这些铰接点坐标的方法，可以将偏心距变化对机构几何形状的影响反映出来。在偏心式活塞连杆机构多刚体动力学模型中，以引入设计变量的方法定义偏心距为e。则:曲轴旋转中心坐标为CrankPoint:(0, e, 0);曲轴与连杆铰接点坐标为RodPoint:(, ，0);活塞与连杆铰接点坐标为PisPoint：( , 0, 0)。其中：=-;=e-;=-; 因为偏心距数值一般比较小，故连杆质心坐标可表示为RodCen: (-110, 0, 0)，曲轴质心可表示为CrandCen: (-11,e,0)。 翻转力矩的方向规定逆时针方向为正。当活塞连杆机构设置偏心据后，发动机翻转力矩为活塞侧推力矩和活塞往复力力矩的迭加，在多刚体模型中以定义函数的方法测量翻转力矩随偏心距的变化而产生的变化。 推翻力矩函数为:PushMoment一F_Push*PistonSta + F_Move*e; 定义偏心距。在020mm的范围内变化，通过Design Study，可以得到活塞侧推力和发动机翻转力矩变化曲线如图3-11, 3-12:图3-11偏心距对活塞侧压力的影响图3-12偏心距对发动机翻转力矩的影响通过上面侧推力和侧推力距随偏心距的变化曲线可以看出，当偏心距e在12.678.44mm的范围内变化时，侧推力和翻转力距的最大值最小。其具体数值见表3-1:表3-1设置偏心距前后活塞侧推力和翻转力矩的比较偏心距:e(mm)侧推力:F_Push ( N )翻转力矩:PushMoment ( Nmm )MaxMinMaxMin0862.2-3582.8949060-2177408.441202-2526.1402160-4952508.971221.3-2460.438219051508010.031270.8-2373.8344700-55736010.561296.7-2262327570-58107012.671410.7-2042349900-676300201788.3-1543.3430900-11512003.3.3