汽車發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

孫可華 姜顏超

摘要：本文對汽車發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性進(jìn)行分析，創(chuàng)建D6114B發(fā)動機(jī)的仿真動力學(xué)模型，利用ANSYS有限元分析軟件軟件得出發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的曲軸模態(tài)數(shù)據(jù)，分別對活塞、曲軸、連桿的受力進(jìn)行分析，研究進(jìn)油口、潤滑油槽位置布置，為發(fā)動機(jī)機(jī)械構(gòu)造設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵字：發(fā)動機(jī)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；動力學(xué)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性對于汽車發(fā)動機(jī)的可靠性、振動效果、噪聲等有很大關(guān)聯(lián)，利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)有限元分析平臺（ANSYS）創(chuàng)建D6114B發(fā)動機(jī)的仿真動力學(xué)模型，分析發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的曲軸、連桿的模態(tài)數(shù)據(jù)，對準(zhǔn)確的掌握D6114B發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零部件動力學(xué)特性具有一定的參考價值。

1. 汽車發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型

汽車發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是由缸體、曲軸、連桿、飛輪活塞，構(gòu)成。上柴D6114B發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1上柴D6114B發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖

缸體與曲軸連接鉸鏈中有一條為轉(zhuǎn)動鉸鏈，其余為圓柱鉸鏈，飛輪與曲軸固定，連接桿與曲軸之間的連接采用轉(zhuǎn)動鉸鏈，其大頭一端連接曲軸，小頭一端連接活塞，活塞與缸體之間采用圓柱鉸鏈連接。

利用以上模型的各個部件的幾何位置參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)建立CAD數(shù)據(jù)模型，傳入給機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)有限元分析平臺（ANSYS）進(jìn)行分析和計算，活塞1-8作用在各缸體氣壓力學(xué)特性輸入ANSYS如圖1所示：

圖1 發(fā)動機(jī)各缸氣體壓力特性

得出發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的曲軸模態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示

模態(tài)

階數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

頻率 124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1 841.1 947.2

模態(tài)

階數(shù) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

頻率 1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 1745 1862.5 2394.9

2. 曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

當(dāng)對活塞逐級施加壓力0-12/104pa，對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)速2200r/min，活塞運(yùn)動其對氣缸的側(cè)推力在-7804~6960N之間周期性變化，側(cè)推力對汽缸壁的磨損影響很大。缸活塞隊氣缸側(cè)推力如圖2所示：

圖2 缸活塞對氣缸的側(cè)推力

由此，利用對側(cè)推力的周期變化頻譜進(jìn)行分析，優(yōu)化對發(fā)動機(jī)懸置。

發(fā)動機(jī)曲軸的載荷能力與曲軸主頸上的進(jìn)油口、潤滑油槽布置情況有關(guān)，同時，曲軸主頸的磨損也與曲軸主軸頸的載荷有關(guān)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動一個周期曲軸主軸頸的載荷受力大小成波峰、波谷間變化，在波峰與波谷的頂點(diǎn)出載荷受力最大。由此，可以在布置進(jìn)油口、潤滑油槽布時應(yīng)避開在波峰與波谷點(diǎn)。

發(fā)動機(jī)的曲柄連桿軸所承受的力在柄稍處于膨脹沖程最高點(diǎn)時達(dá)到做大力值，最大受力點(diǎn)在柄稍和連桿軸承相接處的位置。因此，可以在布置進(jìn)油口、潤滑油槽布時應(yīng)避開該位置附近。

發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)固定在缸體上，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，產(chǎn)生的慣性會帶動缸體的抖動，而缸體連接的是汽車的車架，通過力的傳導(dǎo)車體就會發(fā)生抖動，這會使駕駛者感覺到形成的振動顛簸，影響行車的舒適感。在曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時發(fā)動機(jī)抖動沿著上下、左右、前后成周期性變化，在變化幅度方面上下、左右變化頻率大致相同，前后抖動頻率較高。由此，在發(fā)動機(jī)安裝時應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)抖動的剛度合理選擇懸置點(diǎn)，進(jìn)而可以降低其對車架的影響，提高駕駛的舒適性。

發(fā)動機(jī)工作輸出功率呈波峰、波谷變化，當(dāng)發(fā)動機(jī)剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動逐漸提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)達(dá)到摩擦峰值時，發(fā)動機(jī)柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動會逐漸下降，發(fā)動機(jī)的輸出功率向下滑落，當(dāng)摩擦值小于臨界點(diǎn)時，發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動又逐漸提高，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速再次增加，形成循環(huán)。由此，發(fā)動機(jī)摩擦峰值的大小直接影響著對發(fā)動機(jī)的功率，降低摩擦系數(shù)是提高發(fā)動機(jī)動力的有效方法。

3. 結(jié)論

綜上所述，汽車發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性與發(fā)動機(jī)的功率大小和發(fā)動機(jī)的性能息息相關(guān)，提高發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)性能，對于發(fā)動機(jī)的性能具有非常重要的作用。

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