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基于ADAMS的单缸内燃机曲柄连杆机构动力分析 - 副本

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2.5E+005 2.0E+005 1.5E+005 100000.0
50000.0 0
-50000.0 -1.0E+005 -1.5E+005 -2.0E+005 -2.5E+005
0
图2
90
180 270 360
角 度 /（ °）
(c) 倾覆力矩曲线
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
在产品研制周期中，包括样机概念设计、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]。
15000
m =12.64kg
Fymax
Fx′ max
10000
干扰力/N
5000 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Y /mm
图 3 干 扰 力 FY 和 FX ′ 随 曲 轴 质 心 位 置 的 变 化 规 律
当其它参数不变，只改变曲轴的质量，使质量
在 1~35kg 之 间 变 化 时 ，干 扰 力 FY 和 FX′ 最 大 峰 值 的 绝对值随曲轴质量 m 的变化规律如图 4 所示。
15459
曲轴组
(0.22,-6.50,-11.28)
12.649
64465
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 FX′ 、 纵 向 干 扰 力 FY 、 倾 覆 力 矩 M 如 图 2 所 示 。
150
100
纵 向 干 扰 力 的 峰 值 Fy max 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 [3~5]，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。
2006 年 10 月
农机 化 研 究
第 10 期
用一个通过主轴承上垂直于气缸中心线相等的平行 力 Fn′ 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
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
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 FY ′ ，引 起 机 体 的 纵 向 振 动 ，称 为 纵 向 干 扰 力 ； 一 个 垂 直 于 气 缸 中 心 线 的 力 FX′ = FX − Fn′ ， 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 = Fn L ， 称为倾覆力矩。
干扰力有不同程度的影响，其质心位置对惯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
- 209 -
2006 年 10 月
农机 化 研 究
第 10 期
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
y =-6.5mm
Fymax Fx′ max
干扰力/N
0
5 10 15 20 25 30 35
m /kg
图 4 干 扰 力 FY 和 Fx′ 随 曲 轴 质 量 m 的 变 化 规 律
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
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-mail)minjq@。
S195 柴油机的机构运动和机体受力简图如图 1 所示。
FX'/ N
50
0
-50
-100
-150 0
4000 3000 2000 1000
0 -1000 -2000 -3000 -4000 -5000 -6000
0
90
180
270 360
角 度 /（ °）
(a) 横向干扰力曲线
90
180
270 360
角 度 /（ °）
(b) 纵向干扰力曲线
FY/ N
M/N·m
文 章 编 号 ：1003— 188X(2006)10— 0208— 03
0 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
Y
Fn C
M l
L
ω Fn,
α
B
FY FX
X
Fn′
A
r
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； ω —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。
1.2 仿真模型建立 在 ADAMS 环境下，用本身提供的部件库、约束
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
库、运动发生器、广义力和力矩产生系统模型，并 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
组件名称 活塞组
150.96
-85.13
56350.0
-1233.90
35188
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
[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-cylinder Internal Combustion Engine Base on ADAMS
MIN Jian-qing
(Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, China) Abstract: Base on ADAMS which is a dynamic simulation tool, a simulation model of dynamic analysis 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 design can be provided. Key words: power and machinery engineering; the crank-connecting rod mechanism; dynamic analysis; ADAMS; single-cylinder internal combustion engine; parameter optimization

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基于MATLAB的单缸内燃机曲柄连杆机构动力分析

基于MATLAB的单缸内燃机曲柄连杆机构动力分析


1.1 机构的运动简图 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，沿气缸做往复直线运动；连杆组由 连杆及附件组成， 做平面运动；曲轴组包括曲轴、 曲柄臂、主轴颈等，绕曲轴轴线做旋转运动。
B
Body Sensor
Scope1
Scope2 Joint Sensor1
C4 F F
B
CS2
A
4
Joint Initial Condition Ground
图2
曲柄连杆机构的仿真模型
1.3 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。
仿真问题可以比较容易解决。 参考文献：
[1] 薛定宇 , 陈阳泉 .基于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用 [M].北京,清华大学出版社,2002,392-401. [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,第 33 卷,第 1 期: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, 第 18 卷,第 3 期:289-2.
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连杆长度为210mm曲轴半径为575mm曲轴转速2000rmin经过仿真活塞的速度和加速度曲线如图所示机构仿真的动画显示如图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
基于ADAMS的单缸内燃机曲柄滑块机构建模与仿真.

基于ADAMS的单缸内燃机曲柄滑块机构建模与仿真.


图3 曲柄滑块机构建模
5
3、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 转约束。则模型基本建立，如下图3所示：
6
图4 曲柄滑块机构模型添加约束
4、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。
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
23
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; 位移在250mm~450mm之间变化；速度处 于±40000mm/s幅度内摆动；加速度大致 在-1.75×10^7~9×10^6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。
图2 单缸内燃机的曲柄滑块机构
4
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9 运动学仿真
11
3、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Slider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
基于ADAMS的发动机配气机构动力学分析

基于ADAMS的发动机配气机构动力学分析

《装备制造技术》２０１０年第９期配气机构作为内燃机三大机构之一，其主要功能是实现发动机的换气过程，根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排出燃烧废气。

现今对于发动机配气机构的设计，一方面希望气门加速度越大，以使气门迅速开关，从而达到最好的换气效果，以提高动力性和经济性；另一方面，希望载荷保持相对较小，以减小加速度，从而减小振动和噪音，并延长使用寿命。

这样的矛盾要求，给配气机构的设计带来困难，因此需要精心设计进排气门的升程曲线，以达到最优设计。

内燃机配气机构的传统开发方法，往往是多方案的比较和试凑过程，在无物理样机的初始开发阶段，不但难以满足这样复杂的设计要求，而且反复进行实物试验，会延长研发周期和增加开发成本，同时对进行频繁的试验，也是不现实的。

而通常配气机构的运动学、动力学计算，仅是把机构当作一个弹性振动系统，模型可以是单质量模型或多质量模型，虽然大体上能满足描述气门运动规律的要求，但是这种方法可视化较差，无法直观地反映出各构件的运动情况，并且某些机构的刚度和阻尼参数，必须通过实测或分析计算才能得到，质量也需要经过折算，这不仅增加了建模的难度，而且也影响分析的精度，其应用范围受到限制。

为此，人们相继把多体动力学和虚拟样机技术，应用到配气机构的动力学分析中。

本文就是在这样的背景下，以多体动力学为理论基础，采用虚拟样机技术，应用ＡＤＡＭＳ软件，进行了发动机配气机构的建模与仿真，从而得到整个系统协调下的运动规律和动力学特性。

利用该种方法建立的配气机构多体动力学模型，不但能很好地描述配气机构动力学特性，而且具有极佳的可视化效果，为提高今后产品自主开发能力起到积极的作用。

１配气机构多体动力学方程以多体动力学理论中的拉格朗日方程为理论基础，建立配气系统的动力学方程。

对于机构中的刚体i ，采用质心在惯性参考系中的笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标，即q i ＝［x ，y ，z ，准，θ，φ]Ti ，q =［q １T，q ２T，q n T ］T（１）接着建立这个系统的约束方程和作用力方程，并将它们也都写成广义坐标的表达式，最后应用拉格朗日乘子法，建立系统的运动微分方程，如下所示。

基于Workbench仿真的内燃机曲柄连杆机构动力学分析

基于Workbench仿真的内燃机曲柄连杆机构动力学分析

基于Workbench的仿真内燃机曲柄连杆机构动力学分析（机械与动力工程学院南京 211816）摘要：本文以S195 内燃机为例，对单缸内燃机的曲柄连杆机构简化模型进行了有限元分析。

根据力学分析结果和强度要求设计内燃机曲柄连杆机构结构，并应用UG软件建立该机构三维数字化虚拟装配模型，结合有限元理论及其分析软件ANSYS Workbench，模拟分析了曲柄连杆机构装配体动力学分析，结果表明，数字化模型结合装配体有限元分析，可解决曲柄连杆机构结构强度评价问题，有助于缩短汽油机开发周期和减少成本。

关键词：曲柄连杆，有限元分析，Workbench，动力学仿真。

Dynamic analysis of the crank connecting rod mechanismbased on Workbench simulation(Nanjing Technology of University, mechanical and power engineering,Yin Zhenhua, Nanjing, 211816)AbstractBased on the S195 diesel engine as an example, the crank connecting rod mechanism of single cylinder diesel engine was analyzed in finite element analysis. According to the mechanical analysis results and strength requirements, the structure of the engine crank connecting rod mechanism is designed, and the 3D digital virtual assembly model of the mechanism is established. Combined with the finite element theory and the analysis software ANSYS Workbench. The results show that the numerical model combined with the finite element analysis can solve the problem of structural strength evaluation of the crank link mechanism, which helps to shorten the development cycle and reduce the cost.Key words: crank connecting rod, finite element analysis, Workbench, dynamic simulation.0．引言随着发动机强化指标的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂[1-2]。