SolidWorks的曲柄连杆机构动力学仿真研究

基于SolidWorks的曲柄连杆机构动力学仿真研究

发表时间：2012-2-28 作者: 陈敏*刘晓叙来源: 万方数据

关键字: 发动机运动学动力学仿真

本文用SolidWorks软件建立了一个简化的单缸发动机模型，用COSMOS Motion对该模型进行了发动机运动学和动力学仿真，对运动学仿真的结果进行了验证。

设计往复活塞式发动机时，要进行发动机的运动学和动力学计算，发动机的运动学是计算发动机活塞的位移、速度和加速度。动力学计算主要包括主要运动件的载荷，为零件的强度计算提供依据。在过去的设计中，发动机的运动学和动力学引算一般是采用计算机编程的方式进行。

SolidWorks是目前应用较为广泛的三维设计软件，COSMOS Motion是以ADAMS软件的技术为内核的机构运动学和动力学仿真软件，是SolidWorks的一个插件，与SolidWorks可以进行无缝对接。我们运用该软件，对一个简化的单缸发动机模型进行了运动学与动力学仿真，其结果对往复活塞式发动机的运动学和动力学设计计算有参考意义，现将研究情况介绍如下：

1 发动机模型的基本情况

为了研究的需要，建立了一个简化的单缸发动机模型，主要的结构参数为：缸径125mm，行程160mm，连杆大、小头孔中心距210mm，λ=0.381。发动机的活塞、活塞销、连杆和曲轴用SolidWorks进行三维实体造型设计，然后进行装配，发动机装配后效果及坐标系见图1。

图1 发动机模型

2 发动机的运动学仿真

由于是对一个特定的模型作定量的运动学和动力学仿真，所以，从简单起见，在仿真参数中，将曲轴的转速设为60r/min，即1r/s。在COSMOS Motion中运行仿真后，可以得到活塞运行的位移、速度和加速度，见图2、图3、图4。

图2 活塞的位移

图3 活塞的速度

图4 活塞的加速度

按照活塞位移x、速度v和加速度α的近似计算公式：

以仿真时间0.3s时为例，对仿真结果进行了验算。小于仿真时间为1s，曲轴转动360°，所以，0.3s所对应的曲轴转角α=0.3×360=108°，按照上述公式，可以计算出其位移x=118.5mm，仿真的结果为

728-608=120mm；计算的速度为v=421mn/s，仿真的结果为v=409mm/s；汁算的加速度α=1921mm/s2，仿真的结果α=1920mm/s2。验算结果表明，仿真计算与采用近似公式计算的结果是一致的，误差很小。分页

3 连杆的双质量系统与实际系统的动力学仿真比较

在曲柄连杆机构中，活塞作往复运动，曲轴作定轴转动，但连杆的运动是一般的平面运动，即既有移动，又有转动。为便于计算，在发动机的动力学计算中，是将连杆按照质量不变，质心位置不变和连杆相对于质心的转动惯量不变的原理，将实际的连杆简化为一个双质量的系统进行计算的。但实际上，简化得到的双质量系统不能同时满足上逑的三个条件，只能满足前面的两个条件，这样，就使连杆的双质量简化系统与实际的连杆之间存在一定的误差，但通常认为这两者之间差别很小，对动力计算的误差影响不大。

在本次研究中，笔者对此进行了对比研究，即同时采用连杆的双质量替代模型与实际连杆进行动力学仿真，并对仿真的结果进行比较分析。

连杆的三维造型见图5，通过SolidWorks“工具栏”中的“质量特性”功能，能得到连杆的体积和质心的位置坐标。通过设定连杆的材质，可以求出连杆的质量。本次设计的连杆材质为钢材，质量为2621g，连杆质心与大头孔之间的距离为59mm。

连杆双质量换算系统见例6，按照双质量连杆换算系统的计算公式：

式中，L为连杆的大小头孔中心距，L1为连杆质心到小头孔的距离，mL为连秆的质量，m1为换算到连杆小头的质量，m2为换算到连杆大头的质量，G为连杆的质心位置。

图5 连杆实体造型

图6 连杆双质量换算系统

通过上面的计算公式，可以算出连杆双质量换算系统中，m1=741g，m2=1880g。

分页按照连杆双质量换算系统的模型，设计了一个双质量系统的连杆模型，模型见图7。大小头的换算质量在COSMOS Motion中仿真时，按计算值进行精确设置即可，中间的连接杆部分可以设定为一个非常小的质量。装有换算连杆的发动机模型见图8。

图7 连杆的双质量换算模型造型

图8 装换算连杆的发动机模型

用COSMOSMotion进行动力学仿真时，为了更好地研究曲柄连杆系统本身所具有的特性，没有在活塞上面施加发动机工作时燃烧气体的作用力，两个系统用COSMOSMotion分别进行仿真的结果见图9、图10、图11、图12。

图9 活塞销与连杆小头之间在x方向的反作用力

分页

图10 活塞与缸套之间在Y方向的反作用力(侧推力)

图11 连杆大头与曲轴连杆轴颈之间在X方向反作用力

分页从上面四组反作用力曲线可以看出，双质量的连杆换算系统与实际的连杆所组成的系统相比，在X方向(垂直方向)的作用力是一致的。但在Y方向存在一些不同，最主要的不同表现在活塞与缸套之间的侧推力。从图10可以看出：换算连杆系统的最大值为3N，实际连杆系统为2N，替换连杆系统较实际的系统大50％。同时，从图12可以看出：连杆大头与曲轴之间的作用力在Y方向的分力也存在一定的差异，换算连杆系统较实际的连杆系统要小一些。这是由于连杆双质量换算系统与实际连杆的质量分布不同所造成的。

图12 连杆大头与曲轴连杆轴颈之间在Y方向反作用力

4 结束语

采用SolidWorks中的COSMOS Motion进行发动机的运动仿真，可以方便地得到各个运动件的运动参数，和各个运动副之间的反作用力等各种参数，为产品的设计和研究带来极大的方便，从上面的仿真和对仿真结果的分析可以看出：

a.通过对活塞位移、速度和加速度的验算和与仿真值的比较，仿真结果与采用近似公式计算结果之间的误差是很小的。

b.仿真结果证明：对往复活塞式曲柄连杆机构的动力学计算，采用连杆的双质量换算系统与实际的连杆所组成的系统相比，在动力学计算方面存在一定的差异，这个差异，是连杆的换算系统与实际连杆的质量分布不同所造成的。但对我们通常关心的连杆或曲轴的强度计算所主要考虑的最大受力值影响很小，按照连杆的双质量换算系统进行动力计算的误差是比较小的。

c.连杆的双质量换算系统与实际连杆系统在活塞的侧推力方面存在较大的差别，但从活塞磨损的角度看，按连杆换算系统进行的计算偏保守。