两缸发动机曲柄连杆机构研究说明书

目录1绪论 ...................................................................................................................... 错误！未定义书签。

2曲柄连杆机构多刚体动力学模型的建立 (3)2.1 多刚体系统动力学模型的建立 (3)2.1.1 多刚体动力学方程 (3)2.1.2 多刚体系统建模 (3)2.1.3 曲轴系统建模 (4)2.1.4 活塞系统建模 (4)2.1.5 连杆组件系统建模 (5)2.1.6 曲轴、活塞与连杆组件的装配 (8)3CATIA与ADAMS的曲柄连杆机构动力学模型的转换 (9)3.1 CATIA两缸发动机曲柄连杆结构建模的导出 (9)3.1.1 导出文件的建立 (9)3.1.2 模型文件的导出与保存 (10)3.2 两缸发动机曲柄连杆机构建模在ADAMS中的导入.......... 错误！未定义书签。

3.2.1 模型文件的导入 ............................................................ 错误！未定义书签。

4 曲柄连杆机构系统动力学仿真与分析 (11)4.1 运动副的施加与运动仿真的初始条件 (11)4.1.1 运动副的施加 (11)4.1.2 运动仿真的初始条件 (12)4.2 动力学仿真结果与分析 (12)4.2.1 运动仿真的结果与分析 ................................................ 错误！未定义书签。

结论 . (14)参考文献 (15)1绪论汽车由4部分组成：发动机、底盘、车身和电气．发动机是汽车的心脏，它将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，驱动汽车行驶．曲柄连杆机构是发动机完成这一能量转化的关键机构．燃料燃烧产生的热使发动机燃烧室内的气体迅速膨胀，在活塞顶部产生巨大推力推动活塞下行，通过连杆传至曲轴，从而将直线运动转化为曲轴的旋转运动．该旋转运动通过离合器、变速器、传动轴、差速器等机构传至车轮，实现汽车的路面行驶功能⋯．曲柄连杆机构的工作环境非常恶劣：温度高、速度快、压力大且受力复杂．发动机在作功时，气缸内最高温度可达2500K 以上，高温使得各零件的刚度和强度降低，易发生变形、断裂和磨损,因而引起发动机曲柄连杆机构运动的不协调．现代汽车发动机最高转速可达4 000～6 000 r／min，活塞每秒钟要行走几十个行程，线速度非常快．由此而引起的惯性力也非常大．由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，因此它在工作中的受力情况非常复杂．其中有活塞顶部的气体作用力、运动零件的质量惯性力与离心力、各摩擦表面的摩擦力以及外界阻力等．上述各种力，作用在曲柄连杆机构和机体的各有关零件上，使它们受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷．活塞的主要作用是承受气缸中气体压力所造成的作用力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转．活塞顶部在作功行程时，承受着燃气带冲击性的高压力．对于汽油机活塞，瞬时的压力最大值可达3～5 MPa，对于柴油机活塞，其最大值可达6～9 MPa，采用增压时则更高．再加上高速运动而产生的惯性力，使得活塞对气缸壁的侧压力非常大，加速活塞和气缸套的磨损，也容易引起活塞变形．发动机工作过程中活塞承受的气体压力和惯性力是呈周期性变化的，故活塞、连杆与曲轴的运动特性也应该是周期变化的．在压缩行程中，活塞对气缸的侧向力作用于气缸的次推力面上，而当压缩行程向作功行程转化时，由于连杆角度的变化，使得活塞对气缸的侧向力方向发生突然转变而作用到气缸的主推力面上，此时又恰逢高压燃气突然燃烧而对活塞产生极大的作用力，这个作用力使得活塞对气缸壁主推力面产生剧烈的“拍击”．因此，在压缩行程终止和作功行程开始这个过程中(活塞处于上止点附近)，活塞和气缸的磨损最为严重．本文采用虚拟样机技术研究模拟，虚拟样机技术在内燃机领域获得了越来越广泛的应用．利用计算机建造柴油机曲柄连杆机构的实体模型，并进行动力学仿真分析，可得到整个系统协调运作下的运动规律和动力学特性参数。

本文以多体系统动力学为理论基础，采用ADAMS及CATIA软件平台进行两缸发动机曲柄连杆机构多刚体系统动力学，对曲柄连杆机构的动力学特性进行研究，分析各运动部件的运动规律进而分析出其受力，将为发动机曲柄连杆机构进行优化设计以降低噪声和减少磨损奠定基础。

2曲柄连杆机构多体动力学模型的建立多刚体系统动力学模型的建立多刚体系统动力学方程ADAMS多刚体系统运动微分方程是采用拉格朗日方程建立的。

首先选择适当的广义坐标对物体进行描述，对于刚体，采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标：qi = [x，y，z，ψ，θφ]，q = [q1，…qn]T，即每个刚体用六个广义坐标描述。

系统动力学方程是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀疏矩阵的方法高效求解。

应用拉格朗日待定乘子法，得到多刚体系统的动力学方程为：式中：q 为广义坐标列阵；Q 为广义力列阵；p 为对应于完整约束的拉氏乘子列阵；μ为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵；T 为系统能量，其中，准（q，t）=0 为完整约束方程，θ（q，q，t）=0 为非完整约束方程。

多刚体系统建模两缸发动机曲柄连杆机构多刚体系统动力学模型主要包括：曲轴系统刚体模型及活塞组件刚体模型和连杆组件刚体模型。

应用CATIA实体建模软件,建立装配零部件的三维实体模型，如图2.1所示。

图2.1多刚体系统动力学仿真模型曲轴系统建模曲轴系统动力学模型主要包括曲轴身与平衡块。

应用CATIA实体建模软件,建立零部件的三维实体模型，如图2.2所示。

图2.2曲轴系统零部件模型活塞系统建模活塞系统动力学模型主要包括活塞与活塞销，但在建立模型时需要对其两部分分开建立，因为在装配设计整体模型时，两部分间有相对运动。

应用CATIA实体建模软件,建立零部件的三维实体模型，活塞建模如图2.3所示，活塞销建模如图2.4所示。

图2.3活塞零部件模型图2.4活塞销零部件模型连杆组件系统建模连杆组件系统动力学模型主要包括连杆体、连杆衬套、连杆盖、连杆轴瓦、连杆螺栓。

在建立模型时，分别建立连杆体、连杆衬套、连杆盖、连杆轴瓦、连杆螺栓的零部件模型之后，对其五部分进行装配。

应用CATIA实体建模软件,建立零部件的三维实体模型，连杆体建模如图2.5所示，连杆衬套建模如图2.6所示连杆盖建模如图2.7所示、连杆轴瓦建模如图2.8所示、连杆螺栓建模如图2.9所示。

图2.5连杆体零部件模型图2.6连杆衬套零部件模型图2.7连杆盖零部件模型图2.8连杆螺栓零部件模型图2.9连杆轴瓦零部件模型在装配时，将连杆轴瓦和连杆螺栓组合载入两次。

连杆体上的与活塞销连接的孔与连杆衬套中心轴相合约束，两外表面偏移约束值为0；连杆体上的与曲轴的曲拐连接的孔与轴瓦中心轴相合约束，两外表面偏移约束值为0；螺栓与螺栓孔中心轴相合约束；连杆盖与轴瓦中心相合约束，其上表面与两岸下表面偏移约束值为0，两外表面偏移约束值为0，装配后整体装配如图2.10所示。

图2.10连杆组件装配部件模型曲轴、活塞、连杆组件的装配将连杆组件、活塞、活塞销与曲轴组合导入新的装配设计中，并且由于本文研究的是两缸发动机，连杆组件、活塞与活塞销需要导入两对。

在施加约束时，曲轴曲拐中心轴与连杆轴瓦中心轴相合约束，断面并施加偏移约束，约束值为0；连杆与活塞销、活塞销与活塞同样施加相合约束与偏移约束，值均为0；并调整活塞轴线与曲轴轴线成90度。

总装配模型如图2.11所示。

图2.11总装配部件模型3CATIA与ADAMS的曲柄连杆机构动力学模型的转换CATIA两缸发动机曲柄连杆机构建模的导出导出文件的建立本文利用SimDesigner for CATIA V5R17软件导出在ADAMS中能打开的.cmd文件, SimDesigner 创成式产品系列将MSC.Software 仿真解决方案无缝集成到CAD环境中，侧重于对产品进行多学科综合的特性评估，例如结构线性、动力学、热、结构非线性等。

SimDesigner 接口类产品系列在CATIA环境与客户所拥有的独立的VPD产品之间提供了无缝的双向链接。

SimDesigner 垂直应用类产品可以在CATIA V5环境下进行产品评估及流程知识的捕获、存储和重新利用，这些知识涉及产品制造、测试和验证等各个方面。

在文件导出前必须对曲柄连杆机构的各部分运动施加以运动副，这样才能保证在ADAMS中完全导入，如果某一部分未用运动副连接在CATIA整体模型上，在ADAMS 中将会出现丢失现象。

本文在SimDesigner for CATIA V5R17的数字模型SD Motion Workbench中施加运动副，并完成了在CATIA中的运动仿真。

运动仿真如图3.1所示。

图3.1运动仿真示意图模型文件的导出与保存在CATIA中运动仿真完成后点击expertthe current motion model功能键，会弹出如右图3.2所示的导出对话框，第二项Result Export中选择ALL，点击确定。

之后会弹出保存对话框，在对话框中浏览所要保存的文件夹位置，点击确定即完成保存，注意文件夹路径与名称必须为纯英文字符。

图3.2导出对话框两缸发动机曲柄连杆机构建模在ADAMS中的导入模型文件的导入开启ADAMS程序后选择导入文件，并在浏览对话框中选择所要导入文件的位置文件夹，之后打开文件即完成模型的导入。

导入后如图3.3所示。

图3.3 ADAMS导入后模型示意图4曲柄连杆机构系统动力学仿真分析运动副的施加与运动仿真的初始条件运动副的施加在CATIA中打开总装配图，并依次进入数字模型与SD Motion Workbench，在模拟运动中施加运动副。

在曲轴左右轴与地面之间分别施加绕曲轴中心轴的旋转副；在连杆组件1、2与曲轴左右曲拐之间分别施加绕曲拐中心轴的旋转副；在连杆组件1、2与活塞销1、2之间分别施加绕活塞销中心轴的旋转副；在活塞1、2与活塞销1、2之间施加绕活塞销中心轴的旋转副；在活塞1、2与地之间施加沿活塞中心轴的移动副。

施加后如图4.1所示。

图4.1 模型运动副施加示意图运动仿真的初始条件在施加运动副的同时，在曲轴与地面之间的旋转副的定义对话框的motion选项中给予一个绕Z轴旋转的转动力，转速为70r/min。

具体如图4.2所示。

图4.2 仿真动力施加示意图动力学仿真结果与分析运动仿真的结果与分析由于发动机的两个缸的运动情况完全相同，只是彼此相差一定的相位角。

所以只需取一个气缸支路来进行分析。