汽車單缸發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院2016屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書畢業(yè)設(shè)計(jì)汽車單缸發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)姓 名： 張玉東 學(xué) 號(hào)： 12130054 班 級(jí)： 12機(jī)械2 專 業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化 所在系： 機(jī)械工程系 指導(dǎo)教師： 馬文朋 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中,氣缸內(nèi)氣體壓力和零件慣性力引起的活塞側(cè)壓力及機(jī)體干擾力是首先要考慮的問題。如果這些動(dòng)態(tài)力過大,將使機(jī)構(gòu)間摩擦力增大,加劇了零件磨損程度并引起發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng),降低了發(fā)動(dòng)機(jī)效率和車輛的舒適性。本文在活塞連桿機(jī)構(gòu)理論分析的基礎(chǔ)上,利用多體動(dòng)力學(xué)理論、三維造型軟件Pro/E及動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了編程計(jì)算和虛擬樣機(jī)仿真模擬分析。并以S195柴油機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)額定工況下S195柴油機(jī)的示功圖和活塞連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)公式進(jìn)行了編程計(jì)算,繪制出機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。然后在Pro/E中建立S195柴油機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型,導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,繪制出虛擬樣機(jī)模型中各連接位置處動(dòng)力仿真結(jié)果曲線。關(guān)鍵詞：活塞連桿；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第一章緒論目錄第一章緒論11.1意義11.2活塞連桿機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)11.3研究現(xiàn)狀及手段21.4究內(nèi)容和方法3第二章活塞連桿機(jī)構(gòu)虛擬模型32.1活塞連桿機(jī)構(gòu)的零件模型一32.2活塞連桿機(jī)構(gòu)的裝配模型7第三章活塞連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析83.1ADAMS及其基本原理83.2ADAMS中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析123.3活塞連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)14第四章結(jié)論194.1 結(jié)論19參考文獻(xiàn)20致謝21第一章緒論1.1研究的意義發(fā)動(dòng)機(jī)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的熱動(dòng)力裝置,自年法國人設(shè)計(jì)出第一臺(tái)煤氣發(fā)動(dòng)機(jī)以來,發(fā)動(dòng)機(jī)無論是在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都較以前有了很大的進(jìn)步。在現(xiàn)今社會(huì),幾乎所有的交通工具都以發(fā)動(dòng)機(jī)做其核心的動(dòng)力源?？萍歼M(jìn)步不僅推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,也對(duì)其性能提出了更高的要求燃料燃燒的高效低污染、使用的穩(wěn)定性以及更長的壽命等。這都要求發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)以減少工作過程中的各種動(dòng)態(tài)力?；钊B桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、排放、可靠性和使用壽命等重要性能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計(jì)過程中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段的利用程度已成為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一 “。歐洲、美國和日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)全部利用技術(shù),這也使得他們的發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)良。美國評(píng)選的年全球十佳發(fā)動(dòng)機(jī),前三名來自于德國的奧迪和寶馬公司,其余的也全部由美國和日本設(shè)計(jì)生產(chǎn)。目前我國對(duì)這些先進(jìn)手段的利用程度還很低,雖然國內(nèi)很多發(fā)動(dòng)機(jī)研究所已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些,也都大力引進(jìn)和發(fā)展這些先進(jìn)的技術(shù)手段,但由于資金和人才缺乏再加上國外的技術(shù)封鎖,真正擁有自己的一套技術(shù)的還很少。加入后的中國面對(duì)的是全世界的競爭,中國的機(jī)械行業(yè)要達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平,必須掌握先進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)工具。1.2活塞連桿機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)與設(shè)計(jì)難點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿的設(shè)計(jì)原則是解決工作過程中慣性力的平衡及改進(jìn)結(jié)構(gòu)以減少活塞對(duì)氣缸壁的側(cè)壓力,并降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng),但工作環(huán)境的瞬變使得這些分析十分困難。在工作過程中,活塞頂部受力變化復(fù)雜,上下運(yùn)動(dòng)時(shí)活塞對(duì)氣缸壁產(chǎn)成很大的側(cè)壓力,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率,活塞環(huán)亦容易損壞連桿做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)且質(zhì)量較大,平面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力也不容忽視的,連桿長度的微小變化也對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響飛輪曲軸的模態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性和壽命有很大影響,要設(shè)計(jì)出合理的活塞連桿機(jī)構(gòu),還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)布置方式和工作場合,約束因素較多,設(shè)計(jì)難度非常大。傳統(tǒng)的方法是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化計(jì)算并與樣機(jī)試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種方法得到的結(jié)果往往存在較大的誤差,很難獲得理想的結(jié)構(gòu)參數(shù),且勞動(dòng)強(qiáng)度大,開發(fā)周期長,浪費(fèi)人力物力。借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段,設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度已有所降低,產(chǎn)品開發(fā)周期也有所縮短。但仍有一些難題無法解決,如機(jī)構(gòu)連接處動(dòng)摩擦力和零件變形等,有待進(jìn)一步完善。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及手段市場競爭的加劇要求廠家必需縮短產(chǎn)品開發(fā)周期以增強(qiáng)市場競爭力,同時(shí),為了提高質(zhì)量、降低成本,又需要做大量的實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)處理。這使得現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)得以快速發(fā)展。在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中應(yīng)用比較廣泛的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、多剛體動(dòng)力學(xué)分析、有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助工程熱力學(xué)以及綜合利用這些理論的優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是從60年代發(fā)展起來的,是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的一個(gè)重要分支,它從根本上改變了機(jī)械設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式,引起了工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的深刻變革,并由此而發(fā)展派生出了計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)。目前國外在這方面的技術(shù)已經(jīng)十分成熟,知名的三維CAD軟件主要有法國達(dá)索公司的CATIA、美國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變量的三維設(shè)計(jì)軟件(I-DEAS),PTC公司的基于全參數(shù)化的三維軟件Pro/E已經(jīng)沒有前幾年那么強(qiáng)勢(shì)。我國也開發(fā)出了三維建模軟件CAXA。1.3.2多體動(dòng)力學(xué)分析多體動(dòng)力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),MBS提供了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段,在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。多體動(dòng)力學(xué)包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是由任意有限個(gè)剛體組成的系統(tǒng),剛體之間以某種約束形式連接,研究這些系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)需要建立非線性運(yùn)動(dòng)方程、能量表達(dá)式、運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)式以及其它一些量的表達(dá)式。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是由剛體和柔體混合組成的系統(tǒng)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的裝配模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真,可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡,及時(shí)發(fā)現(xiàn)干涉對(duì)裝配模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,可模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的載荷分布,對(duì)零件強(qiáng)度分析起指導(dǎo)作用利用多體動(dòng)力學(xué)理論,還可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多剛體動(dòng)力學(xué)分析需要大量的計(jì)算,多柔體系統(tǒng)的計(jì)算則更加復(fù)雜。在計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)之前,該理論只應(yīng)用比較簡單的剛體系統(tǒng),但是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和CAD技術(shù)的成熟,美國MDI公司已經(jīng)開發(fā)出了比較完善的多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟ADAMS,其不但適用于多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析,而且可以進(jìn)行多柔體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析。目前已經(jīng)被世界上數(shù)百家制造商采用。1997年美國登陸火星的研究中就利用了該軟件,當(dāng)然,其售價(jià)也是十分昂貴的。其他的多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件還有PTC公司的Pro/Machanical、Working model 3D以及I-DEAS軟件的Simulation模塊等。目前國內(nèi)還沒有這方面的軟件,只有少數(shù)大學(xué)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力仿真分析方面的研究和局部應(yīng)用，但都很少應(yīng)用于生產(chǎn)，相關(guān)資料也不多。 1.3.3有限元分析 有限元分析早在20世紀(jì)20年代就有人提出，但是由于其龐大的計(jì)算量，并沒有被廣泛應(yīng)用，隨著計(jì)算工具的進(jìn)步，有限元計(jì)算過程中大量的計(jì)算被簡化為計(jì)算機(jī)的后臺(tái)操作，使得有限元分析方法的應(yīng)用有了今日嶄新的階段。內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過程中很大一部分的工作是計(jì)算零件的強(qiáng)度性能、可靠性以及耐久性等，特別是活塞組的禍合應(yīng)力分析。早期的研究中，在活塞組和缸套間傳熱的問題上，多以穩(wěn)態(tài)傳熱研究為主，誤差很大。近年來，禍合模型開始出現(xiàn)在國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)的研究課題中，其中對(duì)活塞組部分的研究最為突出，國內(nèi)也對(duì)禍合模型進(jìn)行了研究。禍合方法是部分專家在對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作部件內(nèi)部環(huán)境作深入研究時(shí)提出的一種新方法，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)傳熱研究的一個(gè)重要方向是把氣缸內(nèi)氣體流動(dòng)、燃燒、對(duì)流、傳熱、輻射傳熱模型與燃燒室部件整體(缸蓋一缸套一活塞)禍合起來對(duì)活塞組進(jìn)行分析。由此可知，禍合方法是以后的發(fā)展趨勢(shì)，如果使用得當(dāng)，它可以解決因活塞組與缸套之間相對(duì)移動(dòng)而導(dǎo)致邊界條件難以確定的問題。目前，國外普遍采用CFD (Computational Fluid Dynamics)和FEA禍合的方法進(jìn)行活塞組等內(nèi)燃機(jī)部件的傳熱研究，通過CFD計(jì)算得到活塞頂工質(zhì)的溫度及換熱系數(shù)以及缸套冷卻水的溫度和換熱系數(shù)，將之作為FEA的第三類邊界條件計(jì)算。國內(nèi)對(duì)于這方面的研究還很少見諸報(bào)道。1.3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)理論 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)就是把機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)規(guī)劃理論及方法相結(jié)合，借助電子計(jì)算機(jī)，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計(jì)理論已相當(dāng)成熟，有多種優(yōu)化算法可供研究者參考，如人工蟻群算法、遺傳算法等。在各種計(jì)算軟件已經(jīng)相當(dāng)成熟的今天，如何更好的利用各種計(jì)算軟件對(duì)所涉及的問題進(jìn)行優(yōu)化并得到可靠結(jié)果是研究的重點(diǎn)。在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在不降低內(nèi)燃機(jī)性能和壽命的情況下，如何減小動(dòng)態(tài)力、降低重量和降低成本。內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過程涉及的約束條件多，設(shè)計(jì)目標(biāo)也多，是典型的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。目前國外的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)可以利用各種工具對(duì)內(nèi)燃機(jī)整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。國內(nèi)也有很多科研機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)燃機(jī)零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如氣門彈簧、活塞、連桿、曲軸等，并接取得了很好的成果。1.4主要研究內(nèi)容和方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)理論分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值計(jì)算和虛擬仿真方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，然后在分析的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行零件建模和模型裝配，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，了解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)，確定本設(shè)計(jì)的總體方案；利用所學(xué)機(jī)械專業(yè)知識(shí)，選擇主要零件的機(jī)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行強(qiáng)度校核；利用Pro/E軟件建立各零部件的實(shí)體模型并進(jìn)行裝配，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，輸出運(yùn)動(dòng)結(jié)果；繪制主要零件的三維視圖。第二章活塞連桿機(jī)構(gòu)虛擬模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí),必須建立含有發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)質(zhì)量特性參數(shù)的虛擬模型,但是一般動(dòng)力學(xué)分析軟件三維建模功能都比較弱,樣機(jī)虛擬模型多采用專業(yè)的三維CAD軟件創(chuàng)建,然后再利用專門的接口將CAD軟件建立的虛擬樣機(jī)轉(zhuǎn)換到多體動(dòng)力學(xué)分析軟件中。目前,國內(nèi)外市場上流行的三維CAD軟件很多,現(xiàn)在比較常用的有CATIA、UG、I-DEAS和Pro/E等,其中I-DEAS是基于變量的三維CAD軟件,達(dá)索公司和EDS公司也分別推出了半?yún)?shù)半變量化的CATIA和UG的升級(jí)版本。PTC公司的Pro/E是基于全參數(shù)的三維設(shè)計(jì)軟件,它在前幾年因這個(gè)優(yōu)勢(shì)在全球占有很大市場,近年來因?yàn)槿珔?shù)化繪圖約束條件多,限制了工程設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性,國際上很多大公司多采用基于變量的I-DEAS軟件。本文采用PTC公司的Pro/E作為三維造型軟件,主要是考慮了該軟件筆者使用比較熟練,而且它與多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS及有限元分析軟件ANSYS可實(shí)現(xiàn)無縫連接等原因。2.1活塞連桿機(jī)構(gòu)的零件模型 以5195柴油機(jī)為例，利用三維CAD軟件Pro/E對(duì)內(nèi)燃活塞連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行三維實(shí)體建模，主要建立了活塞組:活塞、活塞銷、活塞油環(huán)、活塞氣環(huán)、檔圈;連桿組:連桿體、連桿蓋、連桿襯套、連桿軸瓦、連桿螺栓;曲軸飛輪組:曲軸、主軸承、曲軸齒輪、飛輪、皮帶輪、飛輪螺栓等零件，為了使仿真具體形象，本文也建立了缸體模型。為了準(zhǔn)確的獲得這些零件的質(zhì)量特性參數(shù)。在造型時(shí)力求和實(shí)物相同。以得到準(zhǔn)確的零件質(zhì)量特性參數(shù)。剛體的質(zhì)量特性參數(shù)包括質(zhì)心的位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣描述:，矩陣中Ixx，Iyy，Izz分別為剛體繞通過質(zhì)心且與所定義的剛體固連坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向一致的坐標(biāo)系中的X， Y， Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。=dm=dm=dm，分別為剛體繞通過質(zhì)心且與所定義的剛體固連坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向一致的坐標(biāo)系中的XY, YZ, XZ平面的慣性積。=dm=dm=dmPro/E分析模塊中的質(zhì)量特性分析(Model Analysis)功能為剛體質(zhì)量特性參數(shù)的確定提供了簡便有效的方法。對(duì)于所建立的三維實(shí)模型，只需定義其材料屬性和材料密度，調(diào)用質(zhì)量特性分析模塊就可以得到包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣在內(nèi)的剛體質(zhì)量特性參數(shù)。為計(jì)算活塞組、連桿組和曲軸飛輪組的質(zhì)量特性參數(shù)，還需定義各組件的固連坐標(biāo)系。本文定義活塞組固連坐標(biāo)系(Piston_ Csys)的原點(diǎn)位于活塞銷孔的中心位置，X軸與活塞銷的軸線方向平行;Y軸與活塞銷的軸線方向垂直，正向背離活塞頂部凹坑;Z軸沿活塞中心線方向，正向垂直向上。連桿組的固連坐標(biāo)系(Rod_ Csys)建立在連桿小頭中心，X軸方向沿連桿襯套方向;Y軸與連桿襯套方向垂直;Z軸正向指向連桿大頭中心;曲軸固連坐標(biāo)系(Crank Csys)的原點(diǎn)位于曲柄銷對(duì)稱平面與曲軸軸線的交點(diǎn)，X軸沿曲軸軸線方向，正向指向較長軸一端;Z軸正向指向平衡塊一端。各組件見圖: 活寒組 連桿組曲軸飛輪組在用Pro/E分析模塊計(jì)算活塞連桿機(jī)構(gòu)各組成零件的質(zhì)量特性參數(shù)時(shí)，首先要確定零件建模時(shí)使用的單位制、零件的材料、密度和彈性模量等參數(shù)。因?yàn)榻⒌哪Ｐ鸵D(zhuǎn)換到ADAMS/View環(huán)境進(jìn)行分析，在制定模型單位的時(shí)候必須考慮兩者的同一性。本文對(duì)零件建模時(shí)使用的單位進(jìn)行自定義，均采用MMKS單位制，以實(shí)現(xiàn)兩種軟件單位的統(tǒng)一，并針對(duì)機(jī)構(gòu)中每一零件定義了材質(zhì)文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件材料、密度和彈性模量的定義。為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對(duì)用Pro/E計(jì)算得到零件質(zhì)量和實(shí)測(cè)得到的零件質(zhì)量進(jìn)行比較，若兩者之間有較大誤差(數(shù)模和實(shí)物存在形狀差異)，可以通過修改該零件材質(zhì)文件中的密度的方法調(diào)整，直到零件質(zhì)量在允許的誤差范圍內(nèi)。表3-1給出了活塞連桿機(jī)構(gòu)各零件的材料、密度、計(jì)算質(zhì)量和實(shí)測(cè)質(zhì)量?？梢钥闯鐾ㄟ^Pro/E分析模塊計(jì)算得到的零件質(zhì)量和實(shí)際質(zhì)量一致，可以認(rèn)為得到的其它質(zhì)量特性參數(shù)也是可靠的。曲車由飛輪組序號(hào)零件名稱材料密度kg/m數(shù)量質(zhì)量（kg）實(shí)測(cè)質(zhì)量（kg）誤差模型名稱1活塞ZL82.8910 10.89660.8772%Piston2活塞銷20Cr7.8210 10.36350.361%Pin3第一道活塞環(huán)銅鉻鋁合金鑄鐵7.8510 10.021670.027%Ring14第二、三道活塞環(huán)銅鉻鋁合金鑄鐵7.8510 20.043380.04164%Ring2Ring35連桿襯套ZQSn6-6-38.510 10.065720.06641%Bush6連桿螺栓40Cr8.510 20.11070.1191%Bolt7連桿體45鋼7.8510 11.47621.4233%RodBody8連桿蓋45鋼7.8510 10.48790.46654%RodCover9曲軸 QT60-27.8510 113.31813.0622%Crank表3-1給出了用Pro/E質(zhì)量特性參數(shù)分析模塊計(jì)算得到的5195柴油機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)活塞組、連桿組和曲柄的質(zhì)量特性參數(shù)。表3一2 S195柴油機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)各組件的重量特性參數(shù)質(zhì)量特性 組件名稱活塞組連桿組曲軸飛輪組 質(zhì)量（kg）質(zhì)心（mm）1.39（0，0.024，12.5）2.259（0，-2.8，156.8）14.2（9.897，0，7.69）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kgmm）Ixx18941517239338Ixy00-72Ixz001085Iyy21051355576305Iyz13.9483.13.9Izz18341939.2695722. 2活塞連桿機(jī)構(gòu)的裝配模型 活塞連桿機(jī)構(gòu)零部件建模和質(zhì)量分析完成后，在Pro/E裝配模塊下對(duì)5195柴油機(jī)進(jìn)行裝配，裝配按照發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行。裝配模型如圖3-1:圖2-1 195柴油機(jī)裝配模型 在機(jī)構(gòu)裝配完成后，調(diào)用Pro/Mechanical模塊，可對(duì)裝配機(jī)構(gòu)在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行簡單的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，以在前期發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否正確以及零件間是否存在干涉情況。第三章活塞連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析本章利用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSy stem)進(jìn)行活塞連桿機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)的分析和計(jì)算。3.1 ADAMS及其基本原理 ADAMS軟件是由美國機(jī)械動(dòng)力公司MDI（Mechanical Dynamics Inc)開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，其主要是對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，它代表了當(dāng)今世界上多體動(dòng)力學(xué)分析的最新成果，是世界上最具權(quán)威性的使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，全球市場占有率超過70%。ADAMS可以自動(dòng)生成包括機(jī)一電一液一體化的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)，從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)到故障診斷階段提供全方位、高精度的仿真計(jì)算結(jié)果。國外一些著名大學(xué)業(yè)已開設(shè)了介紹ADAMS軟件的課程，將三維CAD軟件、有限元分析軟件和虛擬樣機(jī)軟件作為機(jī)械專業(yè)學(xué)生必須了解的工具軟件。ADAMS一方面是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特種類型機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，工程師通過應(yīng)用ADAMS軟件會(huì)收到明顯的效果。美國航空航天局（NASA)在登陸火星技術(shù)中太空艙著陸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)利用ADAMS進(jìn)行登陸仿真，提前發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的不足，使得登陸火星計(jì)劃能夠成功;美國福特汽車在一種新車型的開發(fā)中利用了ADAMS，使開發(fā)周期縮短了70天，節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用4000多萬美元。世界上最大的工程機(jī)械制造商Caterpillar公司的工程師們采用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行工程機(jī)械開發(fā)，在切削任何一片金屬之前就可快速試驗(yàn)數(shù)幾種設(shè)計(jì)方案。因此，他們不但降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，縮短了開發(fā)周期，而且還制造出性能更為優(yōu)異的產(chǎn)品。ADAMS建立簡單的虛擬樣機(jī)比較容易，通過交互的圖形界面和豐富的單元庫，用戶可快速地建立系統(tǒng)的模型。ADAMS與三維CAD軟件（I-DEAS , Pro/E)以及CAE軟件ANSYS可以通過計(jì)算機(jī)圖形文件無縫連接以保證數(shù)據(jù)的一致性。而且ADAMS支持并行工程環(huán)境，可節(jié)省大量的計(jì)算機(jī)時(shí)。利用ADAMS軟件建立參數(shù)化模型可以進(jìn)行設(shè)計(jì)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化分析，為系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了一種高效開發(fā)工具。ADAMS軟件包括3個(gè)最基本的解題程序模塊:ADAMS/View(基本環(huán)境)、ADAMS/Solver (求解器)和ADAMS/PostProcessor(后處理)。另外還有一些特殊場合應(yīng)用的附加程序模塊，例如ADAMS/Car, ADAMS/Tire, ADAMS/Flex, ADAMS/Controls和Mechanism/Pro (和Pro/E的接口模塊)等。在3個(gè)基本解題程序模塊中，ADAMS/View是虛擬樣機(jī)分析的前處理模塊，提供了一個(gè)直接面向用戶的操作菜單，包括各種建模工具、約束工具、仿真參數(shù)的設(shè)置窗口、與其他軟件的接口以及與求解器和后處理等程序的自動(dòng)連接等;ADAMS/Solver是求解機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力問題的計(jì)算程序，完成樣機(jī)分析的準(zhǔn)備工作以后，ADAMS/View程序可以自動(dòng)地調(diào)用ADAMS/Solver模塊，求解樣機(jī)模型的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，完成仿真分析以后再自動(dòng)地返回ADAMS/View操作界面。因此一般可以將ADAMS/Solver操作視為一個(gè)黑匣子”，只需熟悉ADAMS/View的操作就可以完成整個(gè)分析過程。ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理可以通過調(diào)用后處理模塊ADAMS/PostProcessor來完成。ADAMS/PostProcessor模塊具有相當(dāng)強(qiáng)的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，繪制各種分析曲線，除了直接繪制仿真結(jié)果曲線以外，ADAMS/PostProcessor還可以對(duì)仿真分析曲線進(jìn)行一些數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算和各種編輯，也可以輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試驗(yàn)曲線同仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。 ADAMS軟件的核心理論是多體動(dòng)力學(xué)，多體動(dòng)力學(xué)由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)組成。在應(yīng)用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析之前，一般要將實(shí)際的系統(tǒng)進(jìn)行多體模型簡化，然后建立起各剛體之間的動(dòng)力學(xué)方程，并準(zhǔn)確求解這些方程。在建立多體系統(tǒng)力學(xué)模型時(shí)，實(shí)際上是對(duì)仿真模型的構(gòu)件(剛體)、鉸(構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)約束)、外力/外力偶和力元（阻尼、彈簧等)4個(gè)要素進(jìn)行定義，模型的定義取決于研究的目的，重點(diǎn)是以建立能揭示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性態(tài)的最簡模型為優(yōu)。3.2 ADAMS中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析 LVIECHANISM/Pro(Pro/E接口)是MDI公司開發(fā)的連接三維實(shí)體建模軟件Pro/Enineer與機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力仿真軟件ADAMS的專用接口，二者采用無縫連接，不需要退出Pro/E運(yùn)行環(huán)境，就可以將Pro/E中的裝配模型根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義為多剛體模型，調(diào)用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，并進(jìn)行干涉檢查、確定運(yùn)動(dòng)鎖止的位置、計(jì)算約束副的作用力等。對(duì)ADAMS軟件安裝好Mechanism插件后，再對(duì)Pro/E中的protk.dat文件做簡單修改并進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后，在Pro/E2001的裝配模塊中會(huì)新增Mech/Pro菜單，利用該菜單就可對(duì)Pro/E中的裝配模型定義剛體和設(shè)置連接并輸出ADAMS可直接讀取的“. adm”文件。該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法不會(huì)有數(shù)據(jù)丟失，可將Pro/E中所有零件的重量特性參數(shù)完全同一的轉(zhuǎn)換到ADAMS中，使得ADAMS的動(dòng)力仿真分析準(zhǔn)確。對(duì)于S195發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配模型，為了在ADAMS中便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析，有必要對(duì)該裝配模型進(jìn)行簡化，簡化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1、 對(duì)動(dòng)力學(xué)分析不產(chǎn)生關(guān)鍵影響的零件進(jìn)行刪除或簡化。如氣缸體(簡化為一簡單支架和氣缸套，并認(rèn)為兩者和大地固連)，正時(shí)齒輪等連接件;2、 為了方便添加約束，對(duì)實(shí)際的不對(duì)稱件簡化為仿真模型的對(duì)稱件。如活塞裙部實(shí)際為橢圓形，建模的時(shí)候?qū)⑵浜喕癁閳A柱形;連桿軸瓦實(shí)物為兩片分開式，建模時(shí)將其簡化為整體軸瓦。在輸入前對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行合理的簡化，輸入ADAMS后可使仿真模型較為簡明，方便添加約束，在保證仿真結(jié)果正確的前提下，減小了仿真計(jì)算的復(fù)雜性。3.2.1活塞連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的約束和載荷 在ADAMS/View中讀入活塞連桿機(jī)構(gòu)后，選中剛體點(diǎn)擊右鍵可以查看有關(guān)剛體的所有信息。因?yàn)樵赑ro/E裝配體中沒有定義重力，為了使仿真盡可能的和真實(shí)情況接近，在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)加入重力設(shè)置。 建立活塞連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力仿真模型時(shí)，必須通過各種約束定義剛體相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以約束的形式將不同的剛體系統(tǒng)連接起來構(gòu)成一個(gè)多剛體動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)活塞連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行剛體模型約束、驅(qū)動(dòng)和載荷的定義。其運(yùn)動(dòng)約束主要有: 代替發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的支架(Bracket)和大地(Ground)采用Fixed(固結(jié))的約束方式連接，代表發(fā)動(dòng)機(jī)是固定在大地上的，自由度為零; 氣缸體內(nèi)的氣缸套(Sheath)與支架(Bracket)采用Fixed(固結(jié))的方式連接，表示氣缸套固定在支架仁氣缸體)上; 曲軸飛輪組( ComCrank)認(rèn)為是一個(gè)剛體，和支架(Bracket)采用Revolute (銷)約束定義連接，定義方式采用 2 Bod-1Loc and Norm To Grid ，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)選取曲軸坐標(biāo)原點(diǎn)(ComCrank Csys); 同理采用Revolute 銷)約束2 Bod-1Loc and Norm To Grid的方式定義連桿與曲軸、活塞的連接。連桿大頭與曲軸銷連接，旋轉(zhuǎn)中心選取參考坐標(biāo)系(Ref Csys)原點(diǎn)，連桿小頭與活塞銷連接，旋轉(zhuǎn)中心選取連桿坐標(biāo)原點(diǎn)(ComRod_ Csys);活塞除了與連桿采用Revolute (銷)約束連接外，還需定義活塞在氣缸套內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。采用Cylindrical(圓柱)約束”2 Bod-1Loc”and”Pick Feature”的方式定義活塞相對(duì)于氣缸套的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向選取活塞坐標(biāo)(ComPiston_ Csys)的Z方向。 在進(jìn)行仿真分析時(shí)，由于各連接處潤滑條件不能確定，導(dǎo)致摩擦系數(shù)無法確定，剛體連接處摩擦力無法估計(jì)，現(xiàn)有的資料中關(guān)于這方面的介紹也不是很完善。且在對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的不平衡慣性力、燃燒氣體壓力，以及由此而引起的活塞對(duì)氣缸套的側(cè)壓力和推翻力矩，連接位置處的摩擦力對(duì)這些動(dòng)態(tài)力的影響很小，可以忽略不計(jì)yob。因此筆者在分析時(shí)沒有考慮運(yùn)動(dòng)過程和各連接處摩擦力的影響，但將重力和氣缸內(nèi)混合氣體燃燒壓力引入仿真分析內(nèi)，其精度能夠滿足仿真分析目的的要求。 本文取5195柴油機(jī)的額定工況作為分析工況，定義載荷和驅(qū)動(dòng)。5195柴油機(jī)額定工況下曲軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，取ComCrank與Bracket的Crank Jiont為驅(qū)動(dòng)參照( Jiont腸pe)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)定義，采用函數(shù)定義驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，運(yùn)動(dòng)類型選取Displacement，這樣就可以仿真5195柴油機(jī)額定工況下的轉(zhuǎn)速。 在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，活塞頂面作用著隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的氣缸壓力，在進(jìn)行動(dòng)力分析仿真的時(shí)候，必需真實(shí)的考慮進(jìn)去，本文采用與Matlab結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)燃燒氣體壓力的加載。通過對(duì)5195柴油機(jī)工作過程的理論分析和Matlab的計(jì)算結(jié)果，已經(jīng)得到5195柴油機(jī)額定工況卜氣缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(圖2-5)。將該變化曲線保存為Excel格式，在ADAMS中利用曲線繪制和定義子函數(shù)的方法將該壓力變化曲線加載到活塞連桿機(jī)構(gòu)模型的活塞頂面上，如此可以實(shí)現(xiàn)活塞連桿機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型中氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫Φ姆抡?。在定義該氣體壓力的過程中，因?yàn)榍S轉(zhuǎn)速恒定，可以將壓力變化曲線表示成時(shí)間的函數(shù)。通過Matlab的計(jì)算可以得到壓力變化數(shù)據(jù)表，將結(jié)果數(shù)據(jù)保存到ADAMS工作目錄下，在ADAMS/View中利用創(chuàng)建Spline方式創(chuàng)建壓力變化曲線，將氣缸內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入活塞連桿機(jī)構(gòu)模型，命名為:AirForce，壓力變化曲線如圖3-1: 圖3-1剛體模型中氣缸壓力變化曲線壓力變化曲線導(dǎo)入間定義一函數(shù)變化的力定義氣缸內(nèi)的氣體壓力ADAMS/View后，采用”Two Bodies在ComPiston(活塞)和Sheath(氣缸套)之a(chǎn)ndCustom，的方式，用自定義函數(shù)的方法。如圖3-2:圖3-2剛體模型氣缸壓力仿真函數(shù)3.2.2活塞連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的工作特點(diǎn)，應(yīng)用ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可在物理樣機(jī)產(chǎn)生之前獲得發(fā)動(dòng)機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)各組件之間相互作用力曲線，以此來檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的合理性，并為具體零件的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.2.2.1活塞連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析 在ADAMS中對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析比較簡單，只需定義好曲軸轉(zhuǎn)速后，通過運(yùn)動(dòng)仿真，即可得到各連接部件的位移、速度和加速度。5195柴油機(jī)額定工況下曲軸轉(zhuǎn)速為2000r/min，作為驅(qū)動(dòng)條件加載到曲軸主軸頸處，通過運(yùn)動(dòng)分析，可得到活塞和連桿質(zhì)心的速度和加速度變化曲線如圖4-3，也可以將分析結(jié)果保存為數(shù)據(jù)表格。圖4-3活塞與連桿質(zhì)心速度、加速度變化曲線圖中紅線為連桿質(zhì)心沿Y方向的速度和加速度，藍(lán)線為連桿質(zhì)心沿Z方向的速度和加速度。從圖中可知連桿的加速度是非常大的，采用雙質(zhì)量代換的方法對(duì)連桿進(jìn)行簡化分析得到的機(jī)構(gòu)慣性力會(huì)存在很大的誤差。3.2.2.2活塞連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力仿真分析活塞連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)力有:往復(fù)慣性力和離心慣性力、曲軸切向力和曲軸法向力、沿氣缸中心線作用力、活塞組對(duì)氣缸套的側(cè)推力以及由此而產(chǎn)生的推翻力矩和連桿的慣性力等。在活塞連桿機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型中軸頸處受力情況可采用測(cè)量各連接約束副獲得。因?yàn)槎鄤傮w模型中所有剛體的質(zhì)量特性參數(shù)和實(shí)物一樣，所以該方法獲得軸頸處受力變化是真實(shí)可靠的。 在多剛體模型中，連桿小頭與活塞銷連接處的受力可以通過測(cè)量Pi stonRodRotate約束獲得，該約束處Y方向的力為活塞對(duì)氣缸壁的側(cè)壓力只，用PushForce表示，沿Y正方向?yàn)檎?沿Z方向的力為氣缸中心線作用力P，用TransForce表示;兩者合力即為連桿小頭沿連桿中心線的壓力只:，用RodPre B表示;側(cè)推力PushForce與活塞位移相乘可得發(fā)動(dòng)機(jī)的翻轉(zhuǎn)力矩，定義為OverMoment，逆時(shí)針方向?yàn)檎ＧS主軸頸處的受力可分解為曲軸切向力和曲軸法向力，在曲軸主軸頸處定義一固定在曲軸銷上的坐標(biāo)系Ref Marker(該點(diǎn)也是定義曲軸銷與連桿大頭約束副CrankRocRotate的參考點(diǎn))。根據(jù)Ref Marker坐標(biāo)軸的方向，該約束處沿Z方向的受力為曲軸法向力:用F CrankNor表示，沿Y方向受力為曲軸切向力:用F CrankTan表示。在測(cè)量這兩個(gè)力的時(shí)候，選擇自定義的坐標(biāo)系Ref Marker作為測(cè)量力的參考坐標(biāo)系。這兩個(gè)力的合力為連桿大頭沿連桿中心線方向的作用力，用RodPre T表示。模擬分析5195柴油機(jī)額定工況，得到在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)活塞對(duì)氣缸壁的最大側(cè)推力為3646.4N，柴油機(jī)最大翻轉(zhuǎn)力矩為956.78Nm，均發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角為381.6時(shí)。活塞對(duì)氣缸壁側(cè)壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)力矩隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖3-4:圖3-4活塞側(cè)壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)力矩隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)最大曲軸法向力為38766.4N，最大曲軸切向力為16619.8N，分別發(fā)在曲軸轉(zhuǎn)角374.4和381.6時(shí)。曲軸法向力和曲軸切向力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖3-5。圖中曲軸法向力正方向沿Ref_Marker坐標(biāo)的Z軸正向，曲軸切向力沿Ref_Marker坐標(biāo)的Y軸正向。圖3-5曲軸切向力和曲軸法向力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線通過仿真發(fā)現(xiàn)，由于連桿慣性力的影響，連桿小頭軸套和大頭軸瓦的受力并不相同，在氣缸氣體燃燒壓力達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，連桿小頭受力大于大頭受力，而在氣缸內(nèi)氣體壓力比較小時(shí)，連桿大頭受力大于小頭受力。在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)各自變化曲線如圖3-6:圖3-6連桿大頭和小頭受力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，受氣缸壓力和活塞連桿機(jī)構(gòu)慣性力的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)上下跳動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)上下跳動(dòng)的力稱為縱向干擾力，在仿真模型中可以通過測(cè)量曲軸主軸頸CrankRotate約束沿Y方向力獲得，定義為JumpFor。仿真分析得到5195柴油機(jī)向上的最大跳動(dòng)力為1336.9N，向下最大跳動(dòng)力為3329N o一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)其變化曲線如圖3-7:圖3-7縱向干擾力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化3.3 活塞連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過上面的分析可以看出，5195單缸柴油機(jī)存在活塞組對(duì)氣缸體的側(cè)壓力和翻轉(zhuǎn)力矩大、動(dòng)力輸出不穩(wěn)定、往復(fù)慣性力和離心慣性力的平衡不好等缺點(diǎn)。從而造成了該柴油機(jī)活塞環(huán)和氣缸套摩擦力大、使用壽命低、發(fā)動(dòng)機(jī)噪音大、燃油熱效率不高等缺點(diǎn)。當(dāng)然引起這些缺點(diǎn)的原因是多方面的，采用增加氣缸數(shù)的方法就可以很好的解決上述問題。但是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)成本高，目前在農(nóng)村使用的發(fā)動(dòng)機(jī)大部分仍為單缸，所以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上采用虛擬仿真的技術(shù)對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化還是非常有必要的。 通過理論和仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)通過改變單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的偏心距和零部件質(zhì)心位置，會(huì)對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力產(chǎn)生很大的影響。平衡活塞連桿機(jī)構(gòu)慣性力最簡單的方法是在曲柄臂上加平衡塊，影響敷加平衡塊平衡效果的主要因素有平衡塊的幾何形狀和質(zhì)量分布，反應(yīng)在多剛體動(dòng)力學(xué)模型上即為曲軸的質(zhì)量特性參數(shù)，包括質(zhì)心位置，質(zhì)量大小和曲軸繞質(zhì)心坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。曲軸旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于活塞中心線的偏距對(duì)活塞測(cè)推力影響較大。分析研究這些參數(shù)與活塞連桿機(jī)構(gòu)的慣性力之間的關(guān)系，對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)平衡方案的選擇及相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化具有及其重要的意義。 在ADAMS中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果變量較多，往往會(huì)使得優(yōu)化失敗，且耗費(fèi)大量的機(jī)時(shí)，故筆者在理論分析的基礎(chǔ)上，定義對(duì)動(dòng)力影響比較大的幾個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，并且活塞連桿多剛體機(jī)構(gòu)的剛體形狀也用簡化的結(jié)構(gòu)表示，以加快計(jì)算速度。簡化的活塞連桿機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型利用ADAMS自身的建模功能即可完成，簡化剛體的質(zhì)量特性參數(shù)采用自定義的方法將上節(jié)得到的剛體質(zhì)量屬性輸入。這樣可使得分析具有比較性和足夠的準(zhǔn)確性。在簡化模型中，活塞用Cylinder單元表示，曲柄和連桿用Link單元表示，定義活塞連桿機(jī)構(gòu)多剛體簡化模型的固連坐標(biāo)系原點(diǎn)在曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，固連坐標(biāo)系:軸沿曲軸旋轉(zhuǎn)中心線方向，x軸取水平方向。剛體質(zhì)心位置用在固連坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x，Y，z)表示。3.3.1曲軸多剛體模型剛體質(zhì)心位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慣性力的影響 在多剛體模型中曲軸質(zhì)心的:坐標(biāo)對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)的慣性力沒有影響，Y坐標(biāo)值為零，在分析過程中可不考慮，在仿真分析時(shí)只考慮x坐標(biāo)變化的影響。 定義曲軸質(zhì)心的x坐標(biāo)值為變量，用CrankCen表示，則曲軸質(zhì)心坐標(biāo)為:(CrankCen), 0.0,0.0)，定義CrankCen坐標(biāo)的變化范圍為717mm。 同理，亦定義連桿質(zhì)心的x坐標(biāo)值為變量，用RodCen表示，則連桿質(zhì)心坐標(biāo)可表示為:(RodCen),0.0,0.0)，定義RodCen坐標(biāo)的變化范圍為-120110mm。 考慮到活塞的對(duì)稱性，可認(rèn)為活塞組質(zhì)心位于活塞運(yùn)動(dòng)中心線上，在活塞組只作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的條件下，它的質(zhì)心位置對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)的慣性力影響不大，可不予考慮。在對(duì)質(zhì)心位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行Design Study，以確定質(zhì)心位置對(duì)慣性力影響的敏感區(qū)域，在敏感區(qū)域內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。通過Design Study可發(fā)現(xiàn)曲軸質(zhì)心位置變化和連桿質(zhì)心位置變換對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體慣性力的影響如圖3-8 ,3-9:圖3-8曲軸質(zhì)心對(duì)慣性力的影響圖3-9連桿質(zhì)心對(duì)慣性力的影響 由上圖可以看出，曲軸質(zhì)心位置的變化對(duì)慣性力有很大的影響。當(dāng)曲軸質(zhì)心x坐標(biāo)在1014mm之間變化時(shí)，總體慣性力最大值較小，故在優(yōu)化分析時(shí)取CrankCen變量的變化范圍為1014mm;連桿質(zhì)心的變化對(duì)活塞連桿機(jī)構(gòu)慣性力的影響并不大，但是質(zhì)心x坐標(biāo)不能靠固連坐標(biāo)系過近，太近會(huì)使得總體慣性力在瞬間變大幾十倍。取優(yōu)化分析時(shí)連桿質(zhì)心x坐標(biāo)CrankCen變量的變化范圍為-115-1100在ADAMS/View中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，采用OPTDES-SQP優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，Tolerance設(shè)置為0.001，最大循環(huán)次數(shù)為1000次。通過優(yōu)化可得出當(dāng)曲軸質(zhì)心坐標(biāo)為(11.06,0.0,0.0)連桿質(zhì)心坐標(biāo)為(-109.9975,0.0,0.0)時(shí)，總體慣性力最小且變化L匕較平穩(wěn)，可認(rèn)為是質(zhì)心的最優(yōu)位置。這時(shí)活塞連桿機(jī)構(gòu)在活塞上止點(diǎn)位置的往復(fù)慣性力為-3649N，在活塞下止點(diǎn)位置的往復(fù)慣性力為964N。此時(shí)往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖3-10:圖3-10優(yōu)化質(zhì)心坐標(biāo)后往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線3.3.2活塞連桿機(jī)構(gòu)偏心距對(duì)氣缸側(cè)推力的影響 在分析曲軸偏心距對(duì)氣缸側(cè)推力和翻轉(zhuǎn)力矩的影響時(shí)，用上節(jié)優(yōu)化得到的曲軸和連桿的最優(yōu)質(zhì)心位置定義多剛體模型中曲軸和連桿的質(zhì)心，進(jìn)行偏心距的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。在進(jìn)行氣缸側(cè)推力和推翻力矩分析時(shí)，必須考慮氣缸內(nèi)燃燒氣體壓力的作用，應(yīng)在活塞頂面上施加一函數(shù)變化的力，用來模擬燃燒氣體壓力，這樣得到的分析結(jié)果才與實(shí)際相符。本文對(duì)偏心距不為零的活塞連桿機(jī)構(gòu)活塞頂面壓力的變化仍然采用S195柴油機(jī)額定工況下工作時(shí)氣缸內(nèi)燃燒氣體壓力變化函數(shù)。 在簡化的活塞連桿機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型中，曲軸旋轉(zhuǎn)中心、曲軸與連桿的鉸接點(diǎn)以及連桿與活塞的鉸接點(diǎn)分別用ADAMS中的點(diǎn)單元進(jìn)行定義，通過調(diào)節(jié)這些鉸接點(diǎn)坐標(biāo)的方法，可以將偏心距變化對(duì)機(jī)構(gòu)幾何形狀的影響反映出來。在偏心式活塞連桿機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)模型中，以引入設(shè)計(jì)變量的方法定義偏心距為e。則:曲軸旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)為CrankPoint:(0, e, 0);曲軸與連桿鉸接點(diǎn)坐標(biāo)為RodPoint:(, ，0);活塞與連桿鉸接點(diǎn)坐標(biāo)為PisPoint：( , 0, 0)。其中：=-;=e-;=-; 因?yàn)槠木鄶?shù)值一般比較小，故連桿質(zhì)心坐標(biāo)可表示為RodCen: (-110, 0, 0)，曲軸質(zhì)心可表示為CrandCen: (-11,e,0)。 翻轉(zhuǎn)力矩的方向規(guī)定逆時(shí)針方向?yàn)檎?。?dāng)活塞連桿機(jī)構(gòu)設(shè)置偏心據(jù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)力矩為活塞側(cè)推力矩和活塞往復(fù)力力矩的迭加，在多剛體模型中以定義函數(shù)的方法測(cè)量翻轉(zhuǎn)力矩隨偏心距的變化而產(chǎn)生的變化。 推翻力矩函數(shù)為:PushMoment一F_Push*PistonSta + F_Move*e; 定義偏心距。在020mm的范圍內(nèi)變化，通過Design Study，可以得到活塞側(cè)推力和發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)力矩變化曲線如圖3-11, 3-12:圖3-11偏心距對(duì)活塞側(cè)壓力的影響圖3-12偏心距對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)力矩的影響通過上面?zhèn)韧屏蛡?cè)推力距隨偏心距的變化曲線可以看出，當(dāng)偏心距e在12.678.44mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，側(cè)推力和翻轉(zhuǎn)力距的最大值最小。其具體數(shù)值見表3-1:表3-1設(shè)置偏心距前后活塞側(cè)推力和翻轉(zhuǎn)力矩的比較偏心距:e(mm)側(cè)推力:F_Push ( N )翻轉(zhuǎn)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