基于ADAMS的水平對置發(fā)動機活塞運動仿真

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）

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基于ADAMS的水平對置發(fā)動機活塞運動仿真

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建立曲柄連桿機構(gòu)的實體簡化模型并進行裝配，用ADAMS軟件對建立的模型運動學(xué)仿真，通過對各部件施加合理的邊界和運動副，模擬出曲柄連桿機構(gòu)中活塞的運動過程，得出其運動學(xué)參數(shù)，為研究水平對置發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)提供依據(jù)。

UG；ADAMS；運動學(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)燃機是一種常用的發(fā)動機類型，利用油氣混合物燃燒時氣體的膨脹使活塞在氣缸內(nèi)移動，通過連桿機構(gòu)將活塞的平面移動轉(zhuǎn)變成曲軸的轉(zhuǎn)動，與其它原理內(nèi)燃機相比，這種內(nèi)燃機具有壓力范圍廣、熱效率高、適應(yīng)性較強的優(yōu)點[1]。曲柄連桿機構(gòu)是發(fā)動機的主要運動機構(gòu)，因此對其活塞的運動學(xué)和動力特性研究尤為重要，本文用ADAMS軟件對活塞進行運動仿真。

1、水平對置發(fā)動機活塞運動簡介

水平對置發(fā)動機的氣缸排列形式為對置式，是指左右兩列氣缸相對排列，這樣的結(jié)構(gòu)使發(fā)動機整體重心降低、平衡性好[2]。相對于普通的直列和V型發(fā)動機活塞運動形式，水平對置發(fā)動機的活塞運動為水平方向上的左右運動。水平對置發(fā)動機活塞運動簡圖如圖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)動機工作時，活塞在氣缸內(nèi)經(jīng)過四個沖程：進氣沖程、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的急劇膨脹帶來的壓力，使停留在上止點的活塞向下止點運動，并通過連桿將這種平面移動轉(zhuǎn)化為曲軸的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動半徑為R，通過曲軸飛輪端傳遞給汽車的變速系統(tǒng)，進而傳遞給車輪，使汽車行駛。對于四沖程發(fā)動機來說，曲軸轉(zhuǎn)2圈發(fā)動機完成進氣、壓縮、作功和排氣四個過程，且在這四個行程中，只有作功行程是對外做功。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、曲柄連桿機構(gòu)簡化模型的建立和裝配

根據(jù)某型號水平對置發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)，建立曲軸、連桿、活塞等部件的三維實體簡化模型。本文是對活塞運動學(xué)仿真，不考慮飛輪和曲軸減震器。

對建立后的模型進行裝配，裝配時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、水平對置發(fā)動機曲柄連桿運動仿真

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)水平對置發(fā)動機曲柄連桿運動機理，曲軸和ground之間添加轉(zhuǎn)動副，活塞和氣缸添加移動副，曲軸和連桿之間、活塞和連桿之間添加轉(zhuǎn)動副[4]。

3.2添加驅(qū)動

本文對活塞運動學(xué)仿真，為了便于運動學(xué)分析，采用逆向思路，曲軸轉(zhuǎn)動帶動活塞的平面移動，設(shè)置驅(qū)動力來源于曲軸，即在曲軸與ground之間的轉(zhuǎn)動副創(chuàng)建驅(qū)動。驅(qū)動設(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虛擬樣機的仿真過程

活塞經(jīng)過進氣—壓縮—作功—排氣四個沖程，四個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、加速度隨時間變化的運動曲線，如圖5、6、7所示。

由變化曲線知，4個活塞質(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，這與活塞實際運動規(guī)律一致。發(fā)動機在工作過程中，由于曲軸的轉(zhuǎn)速不同，不同活塞的運動存在著一定的超前或之后關(guān)系，在圖上則表現(xiàn)出不同活塞運動曲線的相位差。

3、結(jié)論

本文通過UG建立水平發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的簡化模型并進行裝配，用ADMAS對其活塞運動學(xué)仿真，得出各活塞質(zhì)心的位置、速度、加速度變化曲線，得到了活塞運動的相關(guān)參數(shù)，對研究水平對置發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的運動學(xué)和動力特性提供了依據(jù)。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]虞展.富士新一代水平對置轎車柴油機[J].發(fā)動機，2011.

[3]朱海榮，彭培英，熊義強.基于ADAMS的往復(fù)活塞式壓縮機運動機構(gòu)仿真研究[J].機械設(shè)計與制造，2010.

[4]宋少云，尹芳.ADAMS在機械設(shè)計中的應(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

王健（1991-），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)計與制造技術(shù)。