基于剛?cè)狁詈系能囉秒妱涌諌簷C曲軸連桿系動態(tài)仿真

周威力， 冷 彪， 柳 帥， 管仁梅

(中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心， 長春 130011)

電動客車及物流車多采用活塞式電動空壓機作為制動系統(tǒng)的動力來源?；钊诫妱涌諌簷C運動部件包括曲軸、連桿、活塞等，對其動態(tài)特性的分析至關(guān)重要。之前已有學(xué)者對空壓機虛擬樣機做了大量分析工作[1-5]，但由于單缸空壓機曲軸跨距小，未對空壓機曲軸進行柔性化處理，導(dǎo)致分析結(jié)果與真實情況仍存在一定差距。本文以某電動雙缸空壓機為例，對其曲軸連桿系進行動態(tài)仿真。由于雙缸空壓機曲軸跨距較大，故本文將曲軸柔性化，以使結(jié)果更加接近真實情況。

1 建立電動空壓機虛擬樣機模型

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

1.1 虛擬樣機三維模型

該電動空壓機的運動部件有曲軸、連桿、活塞等，其動力學(xué)分析主要包括對各部件的運動與受力進行分析。首先利用Pro/E三維建模軟件對各運動部件進行建模，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，建立電動空壓機虛擬樣機初始模型。

1.2 施加約束和驅(qū)動

根據(jù)電動空壓機的實際運動情況，在曲軸與地面、曲軸與兩個連桿、連桿與活塞銷、活塞銷與活塞之間添加轉(zhuǎn)動副。在兩個活塞與地面之間分別添加移動副，使其相對地面做往復(fù)運動。在曲軸與地面的轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動，輸入轉(zhuǎn)速1 200 r/min。施加約束和驅(qū)動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動曲線，這些運動曲線都與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析結(jié)果一致，說明所建立的多體動力學(xué)模型是合理的。

圖1 虛擬裝配模型

圖2 活塞運動曲線

1.3 施加作用力

壓縮機正常運轉(zhuǎn)時，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；三是接觸表面相對運動時產(chǎn)生的摩擦力[6]。ADAMS/View會根據(jù)各運動部件的質(zhì)量屬性計算慣性力。摩擦力相對另外兩種力較小，可以忽略?？紤]氣缸的余隙容積，空壓機的理論循環(huán)過程可分為膨脹過程、吸氣、壓縮和排氣4個過程，其中，膨脹過程為多變過程。

圖3 曲軸連桿機構(gòu)簡圖

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

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

膨脹過程：

吸氣過程：P=Pi

壓縮過程：

排氣過程：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)原點建立在上止點，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為膨脹過程與吸入過程分界點位移；S2為壓縮過程與排氣過程分界點位移；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。

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替換曲軸剛性體，剛性體的約束副及作用力自動轉(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。在進行分析時，ADAMS 軟件將自動進行耦合。

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?，進行動力學(xué)仿真，可以獲得曲軸連桿系的運動學(xué)和動力學(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際情況，從圖6～圖9分析結(jié)果的對比中就可以說明這一點。

圖6 剛?cè)狁詈夏Ｐ拖禄钊\動曲線

圖7 連桿小頭Y向受力曲線對比

圖6為剛?cè)狁詈夏Ｐ拖碌玫降幕钊\動曲線，將圖6與圖2中活塞的速度及加速度曲線對比。可知柔性曲軸模型在啟動瞬間活塞速度及加速度均存在波動，這與實際情況相符。圖7為兩種模型下分析得到的連桿小頭Y向受力曲線對比?？芍嵝郧S模型在啟動瞬間連桿小頭Y向受力存在波動，這也與實際情況相符。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動學(xué)或動力學(xué)性能，無論是多剛體動力學(xué)分析還是剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)分析，得到的分析結(jié)果除啟動瞬間外，幾乎沒有差別，可認(rèn)為都能夠提供足夠精度的計算結(jié)果。

圖8和圖9分別為機體左軸瓦Y向及Z向受力曲線對比。機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，這說明曲軸的自身撓曲變形增加了曲軸的載荷，使工作情況更加復(fù)雜。機體右軸瓦受力情況與左軸瓦類似。另外在啟動瞬間，曲軸軸瓦受力存在較大波動，這也與實際情況相符。實際使用中，電動空壓機空載啟動可降低波動幅度。

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討B(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主要零部件進行強度分析，以校核電動空壓機運行是否安全。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。所以曲軸連桿機構(gòu)在指定條件下可以安全運行。

圖10 曲軸應(yīng)力分布

圖11 連桿應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

車用電動空壓機剛?cè)狁詈夏Ｐ头治霰砻?，在電動空壓機啟動瞬間，各運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)存在較大波動，軸瓦承受較大載荷。在實際匹配使用中，應(yīng)盡量避免帶負(fù)載啟動，以盡量降低軸瓦載荷。

車用電動空壓機曲軸連桿系中，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出相對準(zhǔn)確的分析結(jié)果，為電動空壓機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，為電動空壓機的正向設(shè)計提供依據(jù)。

通過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)，能夠保證該電動空壓機曲軸連桿機構(gòu)在額定條件下長期安全運行。

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