基于ADAMS单缸内燃机曲柄滑块机构建模与仿真

1、1单缸内燃机曲柄滑块机构建模与仿真单缸内燃机曲柄滑块机构建模与仿真Fourbar Slider-Crank Mechanism for Single-Cylinder Internal Combustion Engine安徽工业大学 机械工程 夏洪峰 2 如右图为一个内燃机的详细剖面图，其基本机构由一个曲柄、一个连杆和一个活塞（滑块）组成。图1 V形8缸发动机剖面图3本文研究内容：本文研究内容： 单缸内燃机的曲柄滑块机构，如下图2所示，曲柄长度r=100mm，=3400r/min, 连杆长度l=350mm，滑块的长度是100mm，底面直径为50mm，曲柄和连杆的材料为铸钢，密度为7800kg/

2、m3，弹性模量E=202000MPa，泊松比=0.3，滑块的材料为黄铜，用ADAMS建立几何模型并对其进行运动学和动力学分析，并将其结果与解析法相比较。图2 单缸内燃机的曲柄滑块机构4一、几何建模一、几何建模1、启动Adams/View程序，创建一个新的模型，将文件名改为ENGINE。2、根据已知单缸内燃机曲柄连杆机构的几何尺寸建立三 个点，然后在这三个点上依次建立曲柄和连杆，分别命名为Crank、Link，在第三点上用旋转体方式建立滑块机构Slider。如图3所示：图3 曲柄滑块机构建模53、依次在三个连接点上建立转动副约束，并在滑块与机架之间建立沿水平方向的滑动副，在JIONT_1处添加旋

3、转约束。则模型基本建立，如下图3所示：图4 曲柄滑块机构模型添加约束64、为了使得所建立的模型具有更好的柔性，可以通过改变参数来修改模型，以达到高效最优的设计目标，我们可以对模型进行参数化设计，即将先前建立的三个Point点修改为参数化点。 根据已知条件r=100，l=350，将POINT_2修改为参数变量DV_1，其它点相应参数化设计如下图5所示：图5 参数化变量设计7 先前建模时我们将POINT_2的坐标设为（60，80），为使得后一步的运动仿真的起始角度为0，需要修改模型，使初始状态为曲柄在水平位置，即修改POINT_2的坐标为（100，0)。修改过程为将DV_1由60改为100，如右图

4、6所示：修改后的模型如图7：图6 修改参数化变量89二、运动学仿真分析二、运动学仿真分析 1、由于已知曲柄转速为3400r/min，即对应在ADAMS里面的曲柄的旋转约束的转速为3400*6d/s，故修改MOTION_1的转速如右图8所示：图8 修改MOTION转速102、开始进行运动学仿真，将仿真类型设为Kinematic，为了得到2个周期的仿真结果，我们在将End Time设为2/(3400/60)= 0.035294，步长设为200。 仿真过程如下图9所示：图9 运动学仿真113、保存仿真分析结果，然后进入后处理窗口界面，计算处理运动副上的位移、速度、加速度等的数据。以下分别为滑块Sli

5、der的X方向的位移、速度和加速度的图。图10 滑块的X方向的位移变化图12图11 滑块X方向的速度变化图13图12 滑块X方向的加速度变化图14v连杆Link的角速度和角加速度变化曲线图如下：图13 连杆Z方向的角速度变化图15图14 连杆Z方向的角加速度变化图16v曲柄Crank的角速度变化曲线：图15 曲柄Z方向的角速度变化图174、通过以上的运动学分析可知个构件的位移、速度及加速度随时间的变化情况，其都在预想的范围之类，通过解析法我们可做以下比较，由教材上的分析可得到单缸内燃机的活塞的位移、速度和加速度的表达式分别为：tlrtrlrlx2cos4cos42tlrtrx2sin2sint

6、lrtrx2coscos2 18v将其用MATLAB编程运算，取r=100mm；l=350mm；=（3400/60）2；为得到其解析曲线，编写程序如下： t=0:2/(3400/60)/200:2/(3400/60); x=l-r2/(4*l)+r*(cos(w*t)+(r/(4*l)*cos(2*w*t); v=-r*w*(sin(w*t)+(r/(2*l)*sin(2*w*t); a=-r*w2*(cos(w*t)+(r/l)*cos(2*w*t); subplot(2,2,1); plot(w*t*180/pi,x,k); title(Slider Position mm); xlabe

7、l(Angular(deg); ylabel(Length(mm); grid on19 subplot(2,2,2); plot(w*t*180/pi,v,k); title(Slider Velocity mm/s); xlabel(Angular(deg); ylabel(Velocity(mm/sec); grid on subplot(2,2,3); plot(w*t*180/pi,a,k); title(Slider Acceleration mm/s2); xlabel(Angular(deg); ylabel(Acceleration(mm/sec2); grid on 运算程

8、序可得到其活塞的位移、速度及加速度曲线分别为：20图16 解析法得到的活塞位移变化曲线图21图17 解析法得到的活塞速度变化曲线图22图18 解析法得到的活塞加速度变化曲线图23v通过以上的曲线图，我们可以看出：通过解析法得到的活塞X方向的位移、速度和加速度随时间的变化与使用ADAMS得到的变化曲线基本一致;v位移在250mm450mm之间变化；速度处于40000mm/s幅度内摆动；加速度大致在-1.751079106之间变化，且在最大加速度位置有持续性的小幅度的回落。从而验证了ADAMS建模与运动学仿真的有效性。24三、动力学仿真分析三、动力学仿真分析v已知活塞所受到的是气体的压力，其随时间

9、变化的曲线如图19所示：图19 单缸活塞所受到的气体压力值变化曲线25v这样一个变化力我们在ADAMS里面可以通过建立Spline来对其进行拟合：首先将以上曲线通过放大获取49个参考点，建立txt数据文档，然后导入到ADAMS里的Spline中，如右图所示：图20 气体压力值变化曲线数据导入26v将以上导入的数据拟合成Spline曲线如下图所示，这样就可以再用AKISPL函数将此曲线变化力施加到滑块上了。图21 通过导入数据拟合的Spline曲线27 在滑块的末端施加一定力，然后在修改为AKISPL， (time,0,SPLINE_1,0)其中SPLINE_1为如前导入的受力曲线名称。施加力后的模型如下图所示：图22 施加変力载荷后的模型28v对以上模型进行仿真，设定类型为Dynamic，时间为0.035294s，步长为200，然后开始仿真，从而得到两个周期的仿真结果。保存结果，然后进入后处理，得到曲柄的驱动力矩如下图所示：图23