王健，李洪鈺（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

?

基于ADAMS的水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)仿真

王健，李洪鈺
（沈陽理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

用UG建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)體簡化模型并進(jìn)行裝配，用ADAMS軟件對(duì)建立的模型運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過對(duì)各部件施加合理的邊界和運(yùn)動(dòng)副，模擬出曲柄連桿機(jī)構(gòu)中活塞的運(yùn)動(dòng)過程，得出其運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，為研究水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)提供依據(jù)。

UG；ADAMS；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.034

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-111-02

前言

四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)是一種常用的發(fā)動(dòng)機(jī)類型，利用油氣混合物燃燒時(shí)氣體的膨脹使活塞在氣缸內(nèi)移動(dòng)，通過連桿機(jī)構(gòu)將活塞的平面移動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，與其它原理內(nèi)燃機(jī)相比，這種內(nèi)燃機(jī)具有壓力范圍廣、熱效率高、適應(yīng)性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此對(duì)其活塞的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力特性研究尤為重要，本文用ADAMS軟件對(duì)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

1、水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)簡介

水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸排列形式為對(duì)置式，是指左右兩列氣缸相對(duì)排列，這樣的結(jié)構(gòu)使發(fā)動(dòng)機(jī)整體重心降低、平衡性好[2]。相對(duì)于普通的直列和V型發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)形式，水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)為水平方向上的左右運(yùn)動(dòng)。水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)簡圖如圖1所示，構(gòu)件1、2、3、4分別為活塞，5、6、7、8為相對(duì)應(yīng)的連桿，9、10、11、12分別為氣缸，13為曲軸，其兩端分別為14飛輪和15曲軸減振器。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞在氣缸內(nèi)經(jīng)過四個(gè)沖程：進(jìn)氣沖程、壓縮沖程、作功沖程和排氣沖程。在作功沖程中油氣混合物燃燒時(shí)的急劇膨脹帶來的壓力，使停留在上止點(diǎn)的活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過連桿將這種平面移動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為R，通過曲軸飛輪端傳遞給汽車的變速系統(tǒng)，進(jìn)而傳遞給車輪，使汽車行駛。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，曲軸轉(zhuǎn)2圈發(fā)動(dòng)機(jī)完成進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣四個(gè)過程，且在這四個(gè)行程中，只有作功行程是對(duì)外做功。由此引起曲軸輸出轉(zhuǎn)矩成周期性，為了改善這種狀況，在曲軸后端裝置飛輪。

2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡化模型的建立和裝配

根據(jù)某型號(hào)水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，建立曲軸、連桿、活塞等部件的三維實(shí)體簡化模型。本文是對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，不考慮飛輪和曲軸減震器。

對(duì)建立后的模型進(jìn)行裝配，裝配時(shí)注意各零件之間是否存在干涉[3]。裝配后的模型如圖2所示。

3、水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿運(yùn)動(dòng)仿真

將裝配好的模型保存為.igs格式，導(dǎo)入到ADAMS中。在ADAMS中對(duì)模型各部件定義材料密度，得到各部件具體質(zhì)量。

3.1添加約束

對(duì)裝配后的模型添加各部件之間的約束關(guān)系。根據(jù)水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)理，曲軸和ground之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，活塞和氣缸添加移動(dòng)副，曲軸和連桿之間、活塞和連桿之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副[4]。

3.2添加驅(qū)動(dòng)

本文對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，為了便于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，采用逆向思路，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活塞的平面移動(dòng)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)力來源于曲軸，即在曲軸與ground之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)設(shè)置參數(shù)如圖3所示，將End Time設(shè)置為1，Steps設(shè)置為50。

3.3虛擬樣機(jī)的仿真過程

活塞經(jīng)過進(jìn)氣—壓縮—作功—排氣四個(gè)沖程，四個(gè)沖程中活塞位置如圖4所示。

3.4仿真結(jié)果及分析

在ADAMS提取活塞1的質(zhì)心位置、速度、加速度隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖5、6、7所示。

由變化曲線知，4個(gè)活塞質(zhì)心位置、速度、加速度變化規(guī)律基本一致，活塞質(zhì)心位置、速度、加速度都是成周期變化，這與活塞實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，由于曲軸的轉(zhuǎn)速不同，不同活塞的運(yùn)動(dòng)存在著一定的超前或之后關(guān)系，在圖上則表現(xiàn)出不同活塞運(yùn)動(dòng)曲線的相位差。

3、結(jié)論

本文通過UG建立水平發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡化模型并進(jìn)行裝配，用ADMAS對(duì)其活塞運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出各活塞質(zhì)心的位置、速度、加速度變化曲線，得到了活塞運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)，對(duì)研究水平對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力特性提供了依據(jù)。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]虞展.富士新一代水平對(duì)置轎車柴油機(jī)[J].發(fā)動(dòng)機(jī)，2011.

[3]朱海榮，彭培英，熊義強(qiáng).基于ADAMS的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010.

[4]宋少云，尹芳.ADAMS在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，2015.

The piston movement simulation of boxer engine based on ADAMS

Wang Jian,Li Hongyu
(Shenyang Polytechnic University,School of automobile and traffic,Liaoning Shenyang 110168)

Catia is used to establish the simplified model of crank connecting rod mechanism and assemble it.Using the ADAMS software to establish the model of kinematics simulation and simulate the movement process of piston connecting rod through imposing reasonable boundary and kinematic pair on every part,then obtain its kinematic parameters,which provide basis for researching crank connecting rod mechanism of boxer engine.

UG; ADAMS; kinematical simulation

U463

A

1671-7988（2016）08-111-02

王?。?991-），男，研究生，就讀于沈陽理工大學(xué)，研究方向：車輛現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。