基于ADAMS四缸发动机的平衡轴仿真分析

Internal Combustion Engine & Parts
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SPEED [r.min-1]
(a )燃油消耗率优化结果
降低工程师的工作量；
④采用多目标优化的方法，由软件智能的完成了多目 标多变量的优化工作，并从全局角度考虑了各工况之间的 平顺性，解决了人工难以处理的复杂数据的难题。

参考文献：「1]T .Bi ，ooks , G .Lum sden , H .Blaxill . Im proving Base Engine Calibrations for Diesel Vehicles Through th e U se o f D oE and O ptim ization Techniques [R"|.SA E Technical Paper , 2005-01-3833.
閃姜坤，等.基于DOE 设计实现DVVT 的高效台架标定[J ]小
图12输出优化结果
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「3]M oham m ed Reza Kianifar , Loan Felician Cam pean , et al . Sequential D oE Fram ew ork for Steady State M odel BasedCalibration 「Rl .SAETechnicalPaper ，2013-01-0972.
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[SlThom as Kruse.M odel based ECU Calibration w ith ETAS ASCM O 「Rl .ETASGmbH ，2016,9.
10
(b
)燃烧稳定性控制边界
基于
ADAMS 四缸发动机的平衡轴仿真分析
The ADAMS Simulation Analysis of Four-Cylinder Engine Balance Shaft
黄磊
HUANG Lei ;宋秀英 SONG Xiu-ying ;李云霄 LI Yun-xiao ;吴颖军 WU Ying-jun;
马学建 MAXue-jian
(宁波市鄞州德来特技术有限公司，宁波315000)(DLT TECHNOLOGY CO . ,Ltd . ,NingBo 315000, China )
摘要：本文利用MSC.ADAMS 软件建模，对四缸发动机增加平衡轴前后的多体动力学分析对比，采用平衡轴后，能够有效的平衡
二阶往复惯性力，从而减少发动机的振动，提高零部件的可靠性与汽车的舒适性。

A b stract : This paper uses th e M SC.ADAM S softw are m odeling , com pare to before and after increasing th e balance shaft dynam ics
analysis . After increasing th e balance shaft , it can balance th e second -order reciprocating inertial force effectively , so it can reduce th e engine vibration , im prove th e reliability o f parts and th e com fortability o f cars .
关键词：发动机;平衡轴;MSC.ADAMS ;动力学；虚拟样机K ey w ords : engine ； balance shaft ； M SC .ADAMS ； dynamics ； virtual p rototype
〇引言
随着人们生活水平的提高，对汽车的舒适性要求越来 越高，发动机在输出动力的同时也产生振动，对于往复式 内燃机由于工作过程的周期性和零件运动的周期性，其运 动时产生的旋转惯性力和往复惯性力都是周期性的。

如果 这些力在内部不能平衡，将产生周期性振动，影响乘坐的 舒适性和驾驶的平顺性，产生振动噪声，消耗能量，降低总 效率，同时引起连接件的松动，降低了发动机的耐久性。

文 章对某四缸发动机的平衡性分析，通过增加平衡轴来改善
发动机的振动。

1发动机受力分析
1.1旋转惯性力的平衡分析
对于直列四缸四冲程发动机，采用平面四拐曲轴，点 火顺序为1-3-4-2，点火间隔角为180毅，此时1、拐朝上， 2、拐朝下，其离心惯性力的合力为零，离心惯性力矩也 为零，离心力平衡性很好，但由于曲轴本身承受较大的内 弯矩（见图1)，为了减轻曲轴的内弯矩，曲轴上布置平衡 块（见图
2)。

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1.2往复惯性力的受力分析
根据图3的受力分析图可知，一阶往复惯性力、一阶 往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩是平衡的，二阶往复惯 性力不平衡。

二阶往复惯性力的不平衡是四缸四冲程发动机的主 要振动来源，采用增加双轴平衡轴的方法能有效的平衡二 阶往复惯性力，改善振动和噪声，在大排量四缸发动机上 得到广泛应用。

2运动机构形式和参数
采用3D建模软件PROE进行3D建模，运动件主要 由曲轴、连杆组件，活塞组件，驱动齿轮和平衡轴组件。

其 装配结构形式见图4。

在PROE软件里，对每个零件设置材料特性，得到相 应的质量属性，发动机基本参数见表1，运动件参数见表2
表1
名称数值
缸径87.5 mm
行程83.1mm
缸心矩96mm
曲柄半径41.55mm
连杆长度156.5mm
图4运动机构P R O E模型
表2
名称名称
活塞333g
活塞销112g
气环、油环组件20.5g
连杆体560g
连杆螺栓28.8g
连杆衬套9.8g
连杆轴瓦14.6g
曲轴16.44kg
平衡轴驱动齿圈0.41kg
平衡主动轴组件 1.545kg
平衡从动轴组件998g
平衡主动轴组件偏心距5mm
平衡从动轴组件偏心距5mm
3 ADAMS仿真模型的建立
ADAMS，即机械系统动力学自动分析，该软件是美国 机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.)(现已并入美国 MSC公司）开发的虚拟样机分析软件。

ADAMS已经被全 世界各行各业的数百家主要制造商采用。

ADAMS软件使 用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数 化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学 理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚 拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

ADAMS软件的仿真可用于 预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及 计算有限元的输入载荷等。

使用ADAMS软件对机构进行平衡性仿真分析，将 PROE创建的3D数模以X_T格式（PARASOLID)保存，导入ADAMS,将传递几何属性和质量属性信息。

本仿真分析过程不考虑重力、机械损失和缸内压力，所有零件简化为刚性。

约束副定义见表3。

ADAMS导入3D数模，添加约束副后的模型图见图 5，坐标系定义为：X轴为曲轴轴线朝前，Z轴为缸孔轴线 朝上，Y轴可由右手法则确定。

本仿真考虑工况为额定转速5500rpm下，
曲轴与大地
Internal Combustion Engine & Parts
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2000­
-
2000-
Q 1_Y T 主平衡轴Y 向惯性;Q 2_Y T 从平衡轴Y 向惯性力
图8
曲柄机构一个运动周期为360。

，图6中惯性力曲线 的周期为180°,即为二阶惯性力，同时验证了一阶往复惯 性力是平衡的。

图6中曲柄连杆机构的最大往复惯性力为上、下止点位 置，最大值为9950N ，单个平衡轴的Z 向惯性力为-5072N ，三 者合力为9950N -5072N -5072N =-194N ，则Z 向平衡率为 1-194/9950=98%。

通过测量Y 向平衡轴的作用力，由图8可以得出，平
衡轴内部Y 向完全平衡，不对外产生作用力。

5结束语
对于四缸四冲程发动机，增加双轴平衡轴能够有效的 平衡曲柄连杆机构的二阶往复惯性力，其平衡率能达到 98%以上，从而有效改善发动机振动，提高整车的舒适性 和零部件的耐久性。

同时ADAMS 软件能简化复杂的公式 计算，为平衡轴的优化设计提供辅助支持。

参考文献：
[1]杨连生.内燃机设计「J 1.中国农业机械出版社，1981,8.
「2]高进，等.三缸机平衡性分析与力学计算「J 1.汽车工程师， 2010(6).
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「4]余志生.汽车工程手册「M ].人民交通出版社，2001.「5]M SC .Sof’t w are Corpom tion .M SC.ADAM S 帮助文件.
B 1_Z +B 2_Z 为主、从平衡轴的Z 向惯性力合力
QZ _Z 为曲柄机构往复惯性力
图7
表3
零件一零件一约束副活塞活塞销旋转副活塞活塞环固定副连杆体连杆螺栓固定副连杆大头连杆颈圆柱副连杆小头活塞销圆柱副活塞大地圆柱副曲轴大地旋转副平衡轴大地旋转副曲轴
平衡轴
耦合副
图5运动机构A D A M S 模型
90
180 270
Angle (d eg )
B 1_Z 为主动平衡轴的Z 向惯性力
B 2_Z 为从动平衡轴的Z 向惯性力 QZ_Z 为曲柄机构往复惯性力
图6
的旋转副设置旋转驱动motion ，角速度33000°/s ，曲轴与 平衡轴传动比1:2，方向相反，主动平衡轴与从动平衡轴传 动比1:1，方向相反。

仿真设置为0.0109秒，360帧即曲轴转角360°，以一 缸上止点为零点。

4平衡性仿真结果
仿真结果分析，通过ADAMS 的后处理分析工具 ADAMS/postprocessor 测量曲轴和平衡轴处旋转副的作用 力，得到曲柄机构二阶往复惯性力；主、从动平衡轴的Z 向 惯性力；主、从动平衡轴的Y 向惯性力。

(u o i l M e u )
8J O L
L。