1、分类号_ TH16_ 密级_U D C_小论文ADAMS 的单缸内燃机曲柄连杆机构建模与仿真研 究 生 姓 名 李劲松 任课教师姓名、职称 阴艳超（教授） 学 科 专 业 机械工程 学 号 2013703017 论 文 工 作课 程 起 止 日 期 2014 年 5 月至 2014 年 6 月 论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 21 日 基于 ADAMS 的单缸内燃机曲柄连杆机构的建模与仿真摘 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
2、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了参考依据。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The Dynamic Analysis on the Crank-connecting Rod of Single-cylinder Internal Combustion Engine Base on ADAMSAbstractThis paper is Base on ADAMS which is a dynamic simulation tool, a
3、 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 m ass parameters of crank have diff
4、erent 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
5、 rod mechanism dynamic analysis; ADAAMS; Single-cylinder internal combustion engine; Parameter optimization第一章 绪论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(Automat
6、ic 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
7、实现虚拟样机技术的一个强有力开发工具 1。第二章 机构建模和参数优化2.1 机构的运动简图和作用力分析单缸内燃机的基本结构是中心式，气缸中心线通过曲柄旋转中心。单缸内燃机的曲柄滑块机构运动和机体受力简图如图 2.1 所示。图 2.1 曲柄连杆机构的运动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
8、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 ，XFI 和沿 Y，方向的作用力 ；YF2) 活塞对机体 (气缸壁)的侧推力 ，也可以用一个通过主轴承上n垂直于气缸中心线相等的平行力 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 ，引起机体的纵向振动，rF称为纵向干扰力；一个垂直于气缸中心线的力 ，引起机体 Xn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 ，称为倾覆力矩。nMFL2.2 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
9、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。 单缸内燃机的曲柄连杆机构活塞组、连杆组和曲柄组的各个参数如下：曲柄长度 r=100mm， ，连杆长度 l=350mm，滑340/minr块长度是 100mm，底面直径为 50m
10、m，曲柄和连杆的材料为铸钢，滑块的材料为黄铜。经过仿真，滑块的 X 方向位移、速度、加速度变化图如图 2.2 所示。从图中我们可以看出，活塞运动的速度、加速度均按一定的周期发生变化。当活塞位于上止点时的加速度最大，且与速度的方向相反，活塞在该位置所受到的阻力最大。图 2.2 滑块的 X 方向位移、速度、加速度变化图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内，由相关资料和机械原理的内容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： 2.3 利用 MATLAB 对所建立模型进行运动仿真的有效性验证MATLAB 中滑块在 X 方向的位移、速度
11、、加速度变化如图 2.3 所示。图 2.3 MATLAB 中滑块在 X 方向的位移、速度、加速度变化图tlrtrx2cos22coss244rrxlttltltini通过图 2.3 所示，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 250mm450mm 之间变化；速度处于40000mm/s 幅度内摆动；加速度大致在 之间变化，且在最大加速度位761.5091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。2.4 运动学仿真分析已知活塞所受到的是气体的压力，其随时间变化的曲线如图 2.
12、4 所示。图 2.4 单缸活塞所受到的气体压力值变化曲线我们在 ADAMS 里面可以通过建立 Spline（曲线）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，然后导入 ADAMS 里的 Spline 中如图 2.5 所示。图 2.5 气体压力值变化曲线数据导入图在滑块的末端施加一定力，修改近似拟和法曲线函数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，对以上模型进行动力学仿真，设定类型为 Dynamic，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图 2.6 所示。图 2.6 理想曲柄的驱动力矩图
