袁雪松　王斌

摘要：曲軸系統(tǒng)包括曲軸、活塞、連桿等重要的零部件，在工作中承受壓力大，旋轉(zhuǎn)速度高，工作條件較為苛刻，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之一。近年來，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速進(jìn)步，許多軟件廠商都開發(fā)出了專業(yè)的仿真模擬軟件，使內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真成為可能。某航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是六缸水平對(duì)置式發(fā)動(dòng)機(jī)，為確保曲軸工作的可靠性，有必要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；曲軸系統(tǒng)；動(dòng)力仿真學(xué)

1 曲軸動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

1.1 作用在曲軸上的激勵(lì)載荷及參數(shù)設(shè)定

就內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)而言，主要載荷為氣缸內(nèi)的燃?xì)獗l(fā)壓力和運(yùn)動(dòng)組件的慣性力。

1.1.1 氣體爆發(fā)壓力

內(nèi)燃機(jī)工作，實(shí)際上是將混合氣的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)換為曲軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。混合氣燃燒時(shí)，會(huì)在氣缸內(nèi)活塞上死點(diǎn)附近產(chǎn)生很高的爆發(fā)壓力。這種周期性振蕩的壓力是曲軸系統(tǒng)的主要激勵(lì)源。

1.1.2 曲軸系統(tǒng)零部件的慣性力

活塞、連桿等零部件運(yùn)動(dòng)的慣性力是曲軸系統(tǒng)的另一個(gè)主要激勵(lì)源。

已知發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的下列參數(shù)：曲拐與氣缸軸線夾角α，連桿與氣缸軸線夾角B，缸的直徑D，連桿長(zhǎng)度L，連桿銷孔間距L_b，曲拐半徑R_c，連桿質(zhì)量m₁，活塞組件質(zhì)量m_p，燃?xì)鈮毫_g（α），曲軸轉(zhuǎn)速n，可以做以下分析：

1.1.3 作用于曲柄銷上的總激勵(lì)載荷

曲柄銷上的總激勵(lì)載荷由氣體推力和往復(fù)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的慣性力兩部分組成。

利用計(jì)算公式求出慣性力，可以求出曲柄銷上的激勵(lì)載荷。

1.2 建立曲軸系統(tǒng)仿真模型

本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)上有六個(gè)曲拐，次序?yàn)?，6，3，2，5，4，曲拐間夾角δ=60°，各缸點(diǎn)火順序?yàn)?-4-5-2-3-6，點(diǎn)火間隔為120°，將第1缸的活塞處于壓縮行程上死點(diǎn)的時(shí)刻設(shè)定為曲軸轉(zhuǎn)角0°位置。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，應(yīng)用UG軟件對(duì)曲軸系統(tǒng)建立實(shí)體模型。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)資料，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件，結(jié)合1.1條中的理論公式，可在AVL動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立該發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的計(jì)算模型。

2 曲軸系統(tǒng)仿真計(jì)算及結(jié)果分析

本次曲軸系統(tǒng)仿真分析內(nèi)容包括各曲柄銷載荷和曲軸各階振型分析。

飛機(jī)起飛時(shí)其過載達(dá)到極限值3.8 g，發(fā)動(dòng)機(jī)處于起飛工作狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛狀態(tài)下、做功行程的初始階段，產(chǎn)生最大燃?xì)獗l(fā)壓力為5.85 MPa，此刻曲軸所受的載荷達(dá)到最大。因此，本次仿真分析只在發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)2700 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。

將缸內(nèi)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的爆發(fā)壓力導(dǎo)入到曲軸系統(tǒng)模型中，輸入各部件的結(jié)構(gòu)幾何及物理材料屬性等參數(shù)，可得到曲軸的受力和模態(tài)等相關(guān)特性。

2.1 軸頸載荷分析

經(jīng)軟件計(jì)算，對(duì)應(yīng)1缸和2缸最大燃?xì)獗l(fā)力的曲軸轉(zhuǎn)角分別為11°和371°，傳遞至曲柄銷的最大燃?xì)獗l(fā)力為71 002.7 N。

對(duì)應(yīng)3缸和4缸最大燃?xì)獗l(fā)力的曲軸轉(zhuǎn)角分別為491°和131°，傳遞至曲柄銷的最大燃?xì)獗l(fā)力為71 002.7 N。

對(duì)應(yīng)5缸和6缸最大燃?xì)獗l(fā)力的曲軸轉(zhuǎn)角分別為251°和611°，傳遞至曲柄銷的最大燃?xì)獗l(fā)力為71 002.7 N。

2.2 曲軸模態(tài)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的零件之一，其動(dòng)態(tài)特性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)也是整機(jī)主要的振動(dòng)源和噪聲源。因此，分析曲軸的動(dòng)態(tài)特性對(duì)其自身設(shè)計(jì)改進(jìn)和故障分析都有著極為重要的意義。

根據(jù)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)理論，曲軸的振動(dòng)主要是低階模態(tài)起作用，因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取曲軸的前五階模態(tài)進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)AVL軟件的計(jì)算結(jié)果，在該發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的前五階諧次中，其最低頻率是266 Hz，隨著諧次上升，其頻率也相應(yīng)增加。該發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)速為2350～2700 r/min，其基頻為117.5～135 Hz，而該曲軸的諧次頻率遠(yuǎn)高于基頻，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本章應(yīng)用AVL Excite軟件對(duì)某航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出以下結(jié)論。

（1）通過計(jì)算得出了曲軸各軸頸部位的最大受力情況，以及軸頸部位受力大小和對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，為后續(xù)的進(jìn)一步計(jì)算提供了數(shù)據(jù)支持。

（2）曲軸的諧次頻率遠(yuǎn)高于基頻，不會(huì)發(fā)生共振，動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。