基于ADAMS的单缸内燃机曲柄连杆机构动力分析

1、- 208 -,n F YnF M lLXFYFrABCXn F 基 于 ADAMS 的 单 缸 内 燃 机 曲 柄 连 杆 机 构 动 力 分 析闵剑青(浙 江 树 人大 学 ,杭州 310015摘 要:以 ADAMS 的 动 态 仿 真 工 具 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 , 研 究 了 曲柄 连 杆机 构 的 惯 性 力 对 机 体 产 生 的 干 扰 和 平衡 问题 。 研究结 果表 明 ,改 变 曲 轴 的 质量 特 性 参 数 对机 体 的 干扰 力 有 不 同 程 度 的 影 响 , 其 质 心 位 置 对 惯

2、性 力平 衡有 较大 的影 响。 ADAMS 仿 真方 法能 方便 和准 确地 得到 机构 的 运动 与 动 力 参 数 , 从 而 为 机 构 的 选 型和 优 化设计 提 供参考 依 据 。关键 词 :动 力 机械 工 程 ; 曲 柄 连 杆 机 构 ; 动力 分 析; ADAMS ;单缸 内 燃 机; 参 数优 化中 图分 类 号 :TK413.3;TP391.9 文 献 标 识码:A 文章编 号:1003188X(200610 0208030 概述内燃机曲柄连杆机构在运动过程中会产生往复 惯性力和离心惯性力,这些力对机座产生的周期性 作用力和力矩将传给基础或动力装置, 并引起振动, 使

3、内燃机的零件磨损增加、寿命降低、噪声升高。 因此,曲柄连杆机构的惯性力必须平衡。但是,目 前的惯性力平衡通常采用设计修改、样机反复试验 的方法, 消耗大量的人力和物力。 本文以 S195柴油 机 为 例 , 以 机 械 系 统 自 动 动 力 学 仿 真 软 件 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 为平台, 对单缸内燃机的曲柄连杆机构进行 了动力学分析的计算机模拟研究,以便提高工作效 率,更好地研究机构在工作过程中的运动规律、机 构运动过程中的惯性力对机体产生的干扰力以及惯 性力的平衡问题。在产品研制周期中,包括样机概念设

4、计、设计 细化、设计验证、试验规划和工作状态重演几个过 程阶段。 ADAMS 软件是美国 MDI 公司开发的虚拟样 机软件, 具有强大的大位移和非线性分析求解功能, 运用其对机械系统进行运动学或动力学分析,可以 确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加 速度,以及引起系统及其各构件运动所需的作用力 和反作用力,是实现虚拟样机技术的一个强有力开 发工具1。1 机构建模和参数优化1.1 机构的运动简图和作用力分析S195柴油机的机构运动和机体受力简图如图 1所示。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

5、中 心 的 距 离 ; 曲 轴 旋 转 角 速 度图 1 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动 和 机 体 受 力 简 图曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴组等 3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。就单缸机的曲柄连杆机构来说,如果不考虑气 体压力的作用,它对内燃机机体的作用力主要有:1 曲 轴 对 机 体 主 轴 承 的 作 用 力 , 可 分 解 为 沿X 方向的作用力 X F 和沿 Y 方向的作用力 Y F

6、 ;2 活 塞 对 机 体 (气 缸 壁 的 侧 推 力 n F , 也 可 以收 稿 日 期 :2005-11-09基 金 项 目 :浙 江 树 人 大 学 资 助 项 目 (2004A11001作 者 简 介 :闵 剑 青(1966- ,女 ,江 苏 宜 兴 人 ,高 级 讲 师 ,硕 士 ,(E-mailminjq。- 209 -用一个通过主轴承上垂直于气缸中心线相等的平行 力 n F 和力矩 M 来代替。所以,单个曲柄连杆机构对机体的作用结果是 使机体受到以下几个力的作用:一个沿着气缸中心 线方向的力 Y F ,引起机体的纵向振动,称为纵向干 扰 力 ; 一 个 垂 直 于 气 缸 中

7、 心 线 的 力 n X X F F F =, 引 起机体的横向振动,称为横向干扰力;一个使机器 在 垂 直 于 曲 轴 轴 线 的 平 面 内 摆 动 的 力 矩 M =n F L , 称为倾覆力矩。1.2 仿真模型建立在 ADAMS 环境下,用本身提供的部件库、约束 库、运动发生器、广义力和力矩产生系统模型,并定义活塞组、连杆组和曲轴组的质量、惯量矩阵、 刚体坐标和质心位置。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

8、制; 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软件来计算, 则基本不受条件的限制 2。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。表 1 曲柄连杆机构质量特性参数转动惯量 /kg·mm -2组件名称 质心 /mm质量 /kg xx Ixy Ixz Iyy Iyz Izz I活塞组 (0.34,267.50,0.04 1.325 2000 9.18 0 1719.6 0.99 1811 连杆组 (0.03,116.93,0.02 1.954 14387 -37

9、.80 -0.51 1363.5 -4.33 15459 曲轴组(0.22,-6.50,-11.2812.64964465150.96-85.1356350.0-1233.9035188连杆长度为 210mm ,曲轴半径为 57.5mm ,曲轴 转速为 2000r/min, 经过仿真,横向干扰力 X F 、纵 向干扰力 Y F 、倾覆力矩 M 如图 2所示。 图 2 曲 柄 连 杆 机 构 对 机 体 的 干 扰 力1.3 曲柄连杆机构的参数优化平衡曲柄连杆机构惯性力最简单的方法是在曲 柄臂上敷加平衡块,反映在多刚体动力学模型的参 数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

10、心的转动惯量。曲轴质心的位置用其在曲轴固连坐标系中的坐 标 X , Y , Z 表示 。其中, Z 坐 标沿曲轴旋 转中心 线方向,其值对曲柄连杆机构惯性力没有影响;由 于曲柄臂及平衡块结构的对称性, X 坐标一般近似 为 0,在模拟过程中不予考虑;而 Y 坐标值表述了 曲轴质心偏离曲轴旋转中心线的程度,故在模拟过 程 中 只 考 虑 Y 值 的 变 化 , 令 其 在 -2510mm 之 间 变 化。 干扰力 Y F 和 X F 最大峰值的绝对值随曲轴质心位 置的变化规律如图 3所示。图 3 干 扰 力 Y F 和 X F 随 曲 轴 质 心 位 置 的 变 化 规 律当其它参数不变,只改变

11、曲轴的质量,使质量 在 135kg 之间变化时,干扰力 Y F 和 X F 最大峰值的 绝对值随曲轴质量 m 的变化规律如图 4所示。-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15000100005000干 扰 力 /Nm =12.64kgmaxmax x y F F Y /mm150100500-50-100-150角 度 /(°(c 倾 覆 力 矩 曲 线3000200010000-1000-2000-3000-4000-5000-6000F Y /NM /N ·mF X ' /N2.5E+0052.0E+0051.5E+005100000.05000

12、0.0-50000.0-1.0E+005-1.5E+005-2.0E+005-2.5E+0050 90 180 270 3600 90 180 270 360- 210 -图 4 干 扰 力 Y F 和 x F 随 曲 轴 质 量m 的 变 化 规 律通过仿真发现:1 倾 覆 力 矩 M 最 大 峰 值 的 绝 对 值 不 随 曲 轴 质 心位置和质量变化而变化,无法在内燃机内部获得 平衡,一般仅依靠足够大的安装基础来克服其引起 的振动。2 横向、纵向干扰力的峰值 max x F 和 max y F 随曲 轴质心位置和质量变化均呈 V 形折线,但对曲轴质 心位置变化更加敏感。3 同时调整曲轴质

13、心位置和质量, 进行迭代运 算 优 化 , 得 到 当 m =5.000kg, y =-16.1101mm时 , 横向干扰力的峰值 max ' x F 的最小值为 48.0586N , 离心 惯性力近似完全平衡; 当 m =7.365kg, y =-25mm时, 纵向干扰力的峰值 max y F 的最小值为 1523.92N , 并随 变量 m 和 y 的变化而急剧增加。这说明,采用平衡 快的办法对单缸内燃机的往复惯性力是无法完全平 衡的。2 结束语本文建立了内燃机曲柄连杆机构多刚体动力学 特性的仿真模型,在 ADAMS 环境下研究了在不考虑 缸内气体压力、摩擦阻力、作用在内燃机曲轴上

14、的 负载阻力影响的情况下,曲柄连杆机构的往复惯性 力、离心惯性力对机体产生的横向干扰力、纵向干 扰力和倾覆力矩,以及惯性力的平衡问题。研究结 果表明:改变曲轴质心的位置与质量的大小对机体 的干扰力有不同程度的影响,其中质心的位置对惯 性力平衡有较大的影响。与其他方法相比 35,采用ADAMS 软件能帮助工程技术人员方便、快捷、准确 地得到机构的运动与动力数据;通过改变曲轴的质 量特性参数,可以观察对机构运动和机体干扰力的 不同程度的影响,能为机构的选型和优化设计提供 参考依据。 参考文献:1 郑建 荣 .ADAMS 虚 拟样 机技 术入 门与 提高 M.北 京 :机 械工 业 出 版 社 ,2

15、005.2 王 云 霞 . 单 缸 内 燃 机 曲 柄 连 杆 机 械 动 力 学 的 计 算 机模 拟研 究 D.南 京 :南 京 农 业大 学 ,2001.3 李 秀 红 , 吴 凤 林 , 任 家 骏 . 曲 柄 滑 块 机 构 的 运 动 仿 真系 统 J.太 原理 工 大学 学 报 ,2002,33(1:71-73. 4 高 晓 红 , 褚 金 奎 , 郭 晓 宁 . 齿 轮 连 杆 机 构 力 分 析 与 运动 分 析 J.西 安 理 工 大 学 学 报 ,2002,18(3:289- 293.5 闵 剑 青 , 徐 梓 斌 , 舒 建 武 . 铰 链 六 杆 机 构 的 动 力

16、学 分析 系统 J.机械 传 动 ,2005,20(2:31-33.The Dynamic Analysis on the Crank-connecting Rod of Single-cylinderInternal Combustion Engine Base on ADAMSMIN Jian-qing(Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, ChinaAbstract: Base on ADAMS which is a dynamic simulation tool, a simulation model of dynamic analy

17、sis is established in the crank-connecting rod of single-cylinder internal combustion engine, inertia forces of the mechanism which function on the cylinder block and the balance problem is studied. The results show that modifying mass parameters of crank have different effects on the cylinder block, especially the arrangement of counterweight. By ADAMS, the motion and dynamic data can be acquired conveniently and exactly, the reference of choosing mechanism and optimizing desi