周威力， 冷 彪， 柳 帥， 管仁梅

(中國(guó)第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心， 長(zhǎng)春 130011)

電動(dòng)客車及物流車多采用活塞式電動(dòng)空壓機(jī)作為制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源?；钊诫妱?dòng)空壓機(jī)運(yùn)動(dòng)部件包括曲軸、連桿、活塞等，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的分析至關(guān)重要。之前已有學(xué)者對(duì)空壓機(jī)虛擬樣機(jī)做了大量分析工作[1-5]，但由于單缸空壓機(jī)曲軸跨距小，未對(duì)空壓機(jī)曲軸進(jìn)行柔性化處理，導(dǎo)致分析結(jié)果與真實(shí)情況仍存在一定差距。本文以某電動(dòng)雙缸空壓機(jī)為例，對(duì)其曲軸連桿系進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。由于雙缸空壓機(jī)曲軸跨距較大，故本文將曲軸柔性化，以使結(jié)果更加接近真實(shí)情況。

1 建立電動(dòng)空壓機(jī)虛擬樣機(jī)模型

該電動(dòng)空壓機(jī)為單級(jí)雙缸往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，立式布置，曲柄錯(cuò)角為180°，采用聯(lián)軸器使曲軸與電機(jī)輸出軸連接。整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。

1.1 虛擬樣機(jī)三維模型

該電動(dòng)空壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件有曲軸、連桿、活塞等，其動(dòng)力學(xué)分析主要包括對(duì)各部件的運(yùn)動(dòng)與受力進(jìn)行分析。首先利用Pro/E三維建模軟件對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行建模，并裝配。將裝配模型保存為 Parasolid格式并導(dǎo)入ADAMS/View中，按材質(zhì)要求定義各部件質(zhì)量屬性，建立電動(dòng)空壓機(jī)虛擬樣機(jī)初始模型。

1.2 施加約束和驅(qū)動(dòng)

根據(jù)電動(dòng)空壓機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，在曲軸與地面、曲軸與兩個(gè)連桿、連桿與活塞銷、活塞銷與活塞之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副。在兩個(gè)活塞與地面之間分別添加移動(dòng)副，使其相對(duì)地面做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在曲軸與地面的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)，輸入轉(zhuǎn)速1 200 r/min。施加約束和驅(qū)動(dòng)后的虛擬裝配模型如圖1所示。

圖2為仿真得到的一活塞的運(yùn)動(dòng)曲線，這些運(yùn)動(dòng)曲線都與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析結(jié)果一致，說(shuō)明所建立的多體動(dòng)力學(xué)模型是合理的。

圖1 虛擬裝配模型

圖2 活塞運(yùn)動(dòng)曲線

1.3 施加作用力

壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的作用力主要有3類：一是往復(fù)和不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量造成的慣性力；二是氣體壓力所造成的作用力；三是接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力[6]。ADAMS/View會(huì)根據(jù)各運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量屬性計(jì)算慣性力。摩擦力相對(duì)另外兩種力較小，可以忽略?？紤]氣缸的余隙容積，空壓機(jī)的理論循環(huán)過(guò)程可分為膨脹過(guò)程、吸氣、壓縮和排氣4個(gè)過(guò)程，其中，膨脹過(guò)程為多變過(guò)程。

圖3 曲軸連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3為空壓機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，AB為曲柄，BC為連桿，D為下止點(diǎn)，E為上止點(diǎn)，EF為余隙容積段，S表示活塞與上止點(diǎn)的距離，S0表示當(dāng)量余隙行程。

以上止點(diǎn)為起點(diǎn)，以活塞位移S為自變量，氣體壓力P與位移S的關(guān)系為：

膨脹過(guò)程：

吸氣過(guò)程：P=Pi

壓縮過(guò)程：

排氣過(guò)程：P=Po

式中:Po、Pi分別為排氣、吸氣壓力,Pa；V0為余隙容積,m3；A為活塞受氣體力面積,m2；R為曲柄長(zhǎng)度,m；n為多變指數(shù)，本文取1.3。

利用ADAMS提供的IF函數(shù)[7]，將坐標(biāo)原點(diǎn)建立在上止點(diǎn)，并以豎直向上為y軸正方向，加載函數(shù)為：

IF(VY(ID):IF(DY(ID)+S1:A*Pi,A*Pi,A*Po*(S0/(S0-DY(ID)))**n),IF(DY(ID):A*Pi,A*Po,A*Po),IF(DY(ID)+S2:A*Pi*((2*R+S0)/(S0-DY(ID)))**n,A*Po,A*Po))

其中:S1為膨脹過(guò)程與吸入過(guò)程分界點(diǎn)位移；S2為壓縮過(guò)程與排氣過(guò)程分界點(diǎn)位移；VY為ADAMS的速度函數(shù)；DY為ADAMS的位置函數(shù)；ID為 ADAMS 中活塞的頂部圓心的MARKER點(diǎn)。

按此函數(shù)得到的一活塞所受的氣體力曲線如圖4所示。圖4曲線與傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法得到的曲線一致，說(shuō)明本文所建立的函數(shù)是正確的。將圖4曲線所表示的氣體力作為加載條件施加在圖1的虛擬裝配模型上，分析得到模型中各零部件的受力情況。

圖4 活塞所受氣體力曲線

2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕⒓胺抡?/h2>

在ADAMS中，建立柔性體有3種方法[8]：第一種為柔性梁連接法；第二種為引入模態(tài)中性文件法；第三種為利用ADAMS/AutoFlex模塊建立。本文利用ADAMS/AutoFlex模塊建立的曲軸柔性體自動(dòng)替換曲軸剛性體，剛性體的約束副及作用力自動(dòng)轉(zhuǎn)移到柔性體上，得到曲軸為柔性體、連桿活塞等為剛性體的剛?cè)狁詈夏Ｐ停鐖D5所示。在進(jìn)行分析時(shí)，ADAMS 軟件將自動(dòng)進(jìn)行耦合。

圖5 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

利用上述建立的曲軸連桿系剛?cè)狁詈夏Ｐ?，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可以獲得曲軸連桿系的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，如曲軸主軸頸、連桿軸頸的徑向載荷等。使用剛?cè)狁詈夏Ｐ瞳@得的分析結(jié)果比使用多剛體模型更接近實(shí)際情況，從圖6～圖9分析結(jié)果的對(duì)比中就可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

圖6 剛?cè)狁詈夏Ｐ拖禄钊\(yùn)動(dòng)曲線

圖7 連桿小頭Y向受力曲線對(duì)比

圖6為剛?cè)狁詈夏Ｐ拖碌玫降幕钊\(yùn)動(dòng)曲線，將圖6與圖2中活塞的速度及加速度曲線對(duì)比?？芍嵝郧S模型在啟動(dòng)瞬間活塞速度及加速度均存在波動(dòng)，這與實(shí)際情況相符。圖7為兩種模型下分析得到的連桿小頭Y向受力曲線對(duì)比?？芍嵝郧S模型在啟動(dòng)瞬間連桿小頭Y向受力存在波動(dòng)，這也與實(shí)際情況相符。曲軸連桿系中凡是與曲軸彈性體不發(fā)生直接作用的部件運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)性能，無(wú)論是多剛體動(dòng)力學(xué)分析還是剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析，得到的分析結(jié)果除啟動(dòng)瞬間外，幾乎沒(méi)有差別，可認(rèn)為都能夠提供足夠精度的計(jì)算結(jié)果。

圖8和圖9分別為機(jī)體左軸瓦Y向及Z向受力曲線對(duì)比。機(jī)體主軸承與曲軸彈性體發(fā)生直接作用，從圖中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ偷妮S瓦受力較剛體模型的軸瓦受力大，這說(shuō)明曲軸的自身?yè)锨冃卧黾恿饲S的載荷，使工作情況更加復(fù)雜。機(jī)體右軸瓦受力情況與左軸瓦類似。另外在啟動(dòng)瞬間，曲軸軸瓦受力存在較大波動(dòng)，這也與實(shí)際情況相符。實(shí)際使用中，電動(dòng)空壓機(jī)空載啟動(dòng)可降低波動(dòng)幅度。

圖8 左軸瓦Y向受力曲線

圖9 左軸瓦Z向受力曲線

將剛?cè)狁詈夏Ｐ偷贸龅母髁悴考?dòng)態(tài)受力數(shù)據(jù)作為零部件有限元分析的邊界條件。利用有限元分析軟件對(duì)主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，以校核電動(dòng)空壓機(jī)運(yùn)行是否安全。圖10為曲軸的應(yīng)力分布情況，圖11為連桿應(yīng)力分布情況。曲軸材料為QT450-10，由分析可得最大應(yīng)力值為134 MPa，小于曲軸材料的許用應(yīng)力，所以曲軸在指定條件下可以安全運(yùn)行。連桿材料為2A14鍛造鋁合金，經(jīng)T6處理，許用應(yīng)力為440 MPa。由分析可得連桿最大應(yīng)力為46 MPa，小于連桿材料許用應(yīng)力。所以曲軸連桿機(jī)構(gòu)在指定條件下可以安全運(yùn)行。

圖10 曲軸應(yīng)力分布

圖11 連桿應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

車用電動(dòng)空壓機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ头治霰砻?，在電?dòng)空壓機(jī)啟動(dòng)瞬間，各運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在較大波動(dòng)，軸瓦承受較大載荷。在實(shí)際匹配使用中，應(yīng)盡量避免帶負(fù)載啟動(dòng)，以盡量降低軸瓦載荷。

車用電動(dòng)空壓機(jī)曲軸連桿系中，不與曲軸柔性體發(fā)生直接作用的部件之間的相互作用關(guān)系，用多剛體模型或剛?cè)狁詈夏Ｐ途艿贸霰容^準(zhǔn)確的結(jié)果。而與曲軸柔性體發(fā)生直接作用的部件之間，如機(jī)體主軸承與曲軸主軸頸等，只有剛?cè)狁詈夏Ｐ湍軌蚪o出相對(duì)準(zhǔn)確的分析結(jié)果，為電動(dòng)空壓機(jī)的零部件的有限元分析提供更加準(zhǔn)確的力邊界條件，以準(zhǔn)確分析零部件應(yīng)力分布，為電動(dòng)空壓機(jī)的正向設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

通過(guò)有限元分析軟件得出曲軸及連桿最大應(yīng)力均在材料安全許用應(yīng)力內(nèi)，能夠保證該電動(dòng)空壓機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)在額定條件下長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

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