一種氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的仿真性能研究

周晶晶 李振興 李晶華

摘要：氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是以高壓空氣作為“燃料”，來(lái)提供動(dòng)力。由于高壓空氣能力密度較低，且氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量利用率低，因此，改善其能量利用率，提高其機(jī)械效率至關(guān)重要。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸?shù)暮诵臋C(jī)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體工作及汽車的動(dòng)力傳遞起到至關(guān)重要的作用。通過(guò)研究一種新型氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，利用MATLAB/Simulink對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，分析其對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，研究結(jié)果為今后進(jìn)一步提高氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提供了指導(dǎo)方向。

關(guān)鍵詞：曲軸；連桿；氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；發(fā)動(dòng)機(jī)性能

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.19.094

0引言

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以壓縮空氣作為工質(zhì)，將高壓空氣直接輸入氣缸膨脹以推動(dòng)活塞做功，實(shí)現(xiàn)了將高壓空氣的壓力能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)形式的機(jī)械能輸出。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的做功原理比較簡(jiǎn)單，通過(guò)氣體膨脹推動(dòng)活塞做功，進(jìn)而對(duì)外輸出功率，實(shí)現(xiàn)了無(wú)燃燒、零污染物，是真正意義上的綠色動(dòng)力汽車。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有突出的特點(diǎn)和很好的應(yīng)用前景，但其能量利用效率低是最為突出的和最需要迫切解決的問(wèn)題。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，它將活塞的周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩，為汽車提供行駛所需的動(dòng)力，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、動(dòng)力性影響很大。一直以來(lái)，以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的研究及進(jìn)展對(duì)汽車行業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)的發(fā)展起著較大的推動(dòng)作用。當(dāng)活塞在作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度的數(shù)值及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及內(nèi)燃機(jī)整體的工作有很大影響，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的主要任務(wù)實(shí)際上就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了進(jìn)一步提高循環(huán)熱效率和燃燒效率以及機(jī)械效率，優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的性能，眾多國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者都對(duì)傳統(tǒng)往復(fù)式活塞所用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖1）進(jìn)行改進(jìn)，試圖通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的改進(jìn)提高其性能。筆者對(duì)一種新的雙連桿往復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，活塞在上止點(diǎn)附近停留時(shí)間較長(zhǎng)。本文對(duì)應(yīng)用這種機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)建立了數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/simulink進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)往復(fù)活塞式曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，得出仿真結(jié)果。此外，對(duì)這種新型曲柄連桿機(jī)構(gòu)的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及有可能對(duì)氣功發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程產(chǎn)生的影響作了簡(jiǎn)要分析。

1.1傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型及求解

根據(jù)圖1所示，設(shè)OB=R為曲拐中心到曲軸旋轉(zhuǎn)中心的距離（即曲柄），AB=L為連桿長(zhǎng)度，λ=R/L。活塞在上止點(diǎn)時(shí)（A1位置）曲軸轉(zhuǎn)角為0，活塞在下止點(diǎn)時(shí)（A2位置）曲軸轉(zhuǎn)角為180°。由此可推導(dǎo)出活塞的位移為：

x=R+L-Rcosα-Lcosβ=R[1-cosα+1λ（1-cosβ）]（1）

由公式可知，活塞的運(yùn)動(dòng)特性是由曲軸轉(zhuǎn)角、曲軸長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速組成的函數(shù)。將位移對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以得到活塞的運(yùn)動(dòng)速度，活塞運(yùn)動(dòng)的加速度可由活塞速度對(duì)時(shí)間求導(dǎo)求得。利用MATLAB/Simulink中的微分模塊，分別對(duì)位移和速度進(jìn)行微分即可求解出活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。仿真時(shí)，給定曲柄半徑為47mm，初始曲柄連桿比為1/3.5，初始轉(zhuǎn)速為1000r/min，最終得出的活塞運(yùn)動(dòng)結(jié)果。

1.2新型曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)介紹

新型曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析簡(jiǎn)圖傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)由曲柄OB、連桿AB以及活塞組件構(gòu)成，將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)作連桿轉(zhuǎn)變?yōu)榍男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而輸出動(dòng)力。與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)相比，新型雙連桿機(jī)構(gòu)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該機(jī)構(gòu)僅在原來(lái)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一套曲柄連桿，傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中連桿直接與曲柄相連，這種雙連桿結(jié)構(gòu)則是活塞連桿AE與另一連桿DE相連，而與曲柄相連的連桿BC抵押在連桿DE上，連桿DE的底端可通過(guò)鍵連接固定在固定軸上。在雙連桿機(jī)構(gòu)中，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿AE將力傳遞給連桿BC，再經(jīng)連桿BC將力傳遞給曲柄OC，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榍男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出動(dòng)力。

1.3新型曲柄連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型及求解

設(shè)活塞行程為x，連桿CB=L1，DE=L2，AE=L3，假設(shè)連桿BC在曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，B點(diǎn)始終沿x軸水平運(yùn)動(dòng)，不存在左右擺動(dòng)現(xiàn)象，且B點(diǎn)為連桿DE的中點(diǎn)。根據(jù)圖2對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得到活塞的位移為：

為方便對(duì)比分析，將該結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，設(shè)定的曲柄半徑及氣缸工作容積相同，利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真求解，對(duì)活塞位移和速度微分即可求出活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3～圖5。

1.4新型曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)介紹

活塞行程變化規(guī)律曲線圖4活塞速度變化規(guī)律曲線圖5活塞加速度變化規(guī)律曲線由仿真結(jié)果可以看出，該雙連桿結(jié)構(gòu)在一定的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)活塞位置基本保持不變，該階段曲軸轉(zhuǎn)角持續(xù)進(jìn)100°，分別位于起始階段及結(jié)束階段，可根據(jù)該階段的特性，設(shè)置為進(jìn)氣行程。此后，隨曲軸轉(zhuǎn)角的增加，活塞運(yùn)動(dòng)速度迅速上升，促使缸內(nèi)氣體迅速膨脹。

2新型曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響

將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用到氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)模擬計(jì)算，可以得到該結(jié)構(gòu)下缸內(nèi)壓力、溫度以及瞬時(shí)輸出扭矩的變化規(guī)律。假定曲軸轉(zhuǎn)角0-90°為進(jìn)氣階段，90°-180°為膨脹階段，180°-360°為排氣階段，進(jìn)氣初始?jí)毫?MPa，轉(zhuǎn)速為1000r/min，兩種結(jié)構(gòu)的曲柄半徑及氣缸工作容積相同。為方便直觀的評(píng)價(jià)該結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，仿真時(shí)將該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)果如圖6所示。

圖6缸內(nèi)氣體壓力變化規(guī)律對(duì)比圖圖7缸內(nèi)氣體溫度變化規(guī)律對(duì)比圖由仿真結(jié)果可知，應(yīng)用該種曲柄連桿結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)氣初始階段，缸內(nèi)壓力快速上升到最大壓力，且基本持續(xù)在進(jìn)氣壓力值內(nèi)，而應(yīng)用傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)壓力逐漸降低，且最大壓力的值低于應(yīng)用該種雙連桿結(jié)構(gòu)的缸內(nèi)最大壓力值。此外，應(yīng)用該種雙連桿結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其缸內(nèi)溫度、瞬時(shí)扭矩的最大值均高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，這是因?yàn)槠渥罡邏毫υ龃蟮木壒省?/p>

3結(jié)論與展望

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有一定影響，筆者提出的機(jī)構(gòu)有效的使得高壓氣體的膨脹過(guò)程接近等溫膨脹，有效的提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)工作的最低溫度有明顯上升，能夠有效的避免結(jié)霜顯現(xiàn)。但曲柄連桿機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，受到周期性變化的激勵(lì)力作用，有可能在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的共振，使得動(dòng)應(yīng)力急劇增大，在曲軸的內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋而導(dǎo)致曲軸過(guò)早的出現(xiàn)彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，因此研究其受力的變化及影響有重要意，因此，下一步有必要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，針對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞極限分析，并對(duì)曲柄連桿的各項(xiàng)參數(shù)、尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到穩(wěn)定性更好地產(chǎn)品。