發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性研究*

王智森，朱領(lǐng)兄

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn)333000）

0 引言

發(fā)動機(jī)各零部件結(jié)構(gòu)影響能量轉(zhuǎn)換，對汽車的動力性、平順性以及燃油經(jīng)濟(jì)性、高效節(jié)能性等，都具有非常重大的意義。活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為汽車發(fā)動機(jī)的主要動力機(jī)構(gòu)，其力學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響到發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，研究活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，成為發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。

近年來，相關(guān)學(xué)者針對連桿機(jī)構(gòu)建模做了很多研究工作，侯占豐等提出了曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要部件的檢修方法[1]；趙滿倉論述了汽車發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理[2]；韋洪新等基于Visual Nastuan軟件平臺，對六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)模擬仿真，得到運(yùn)動特性，與理論結(jié)果吻合[3]；張德明基于PROE軟件對某型發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，通過ADAMAS軟件，進(jìn)行了仿真模擬分析，生成有限元分析的載荷文件[4]；馮義聯(lián)合利用CATIA/ADAMAS/ANSYS軟件對連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性進(jìn)行研究，建立了發(fā)動機(jī)曲軸系的虛擬樣機(jī)模型[5]。上述研究方法均存在工作量較大、時間成本較長及仿真分析效率較低等方面的不足。課題組采用Working Model軟件和UG軟件相結(jié)合的方法，建立汽車發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡化模型并進(jìn)行運(yùn)動特性分析，為提升發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)提供一定的參考。

1 發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

1.1 Working Model軟件及其功能

Working Model軟件作為世界上最流行的計算機(jī)輔助工程仿真軟件之一，通過構(gòu)建二維簡化模型，將虛擬的機(jī)械部件如彈簧、阻尼、齒輪和電機(jī)等之間的相互作用用運(yùn)動副元素來代替，實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性的精確計算，界面如圖1所示。Working Model軟件包含對NURBS模型進(jìn)行自動干涉檢測和響應(yīng)的功能，最新的版本也包括諸如柔性梁、剪切和彎曲力矩以及鉸鏈摩擦等流行的腳本語言，用來擴(kuò)展Working Model軟件的功能。

圖1 Working Model軟件界面

Working Model軟件具有強(qiáng)大的運(yùn)動仿真分析功能，可以實(shí)時輸出機(jī)構(gòu)各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，具有以下特點(diǎn)：二維構(gòu)件元素多樣化，使得機(jī)構(gòu)建模更加緊湊；實(shí)現(xiàn)快速的“運(yùn)行—分析—改進(jìn)”循環(huán)方式，便于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計；軟件仿真環(huán)境易于操作，仿真過程省時高效；具備運(yùn)行、停止、重置、單步執(zhí)行以及暫停仿真分析功能模塊；能夠輸入二維CAD軟件繪出的DXF格式的圖形文件；實(shí)時輸出作用在構(gòu)件上的力、力矩、速度及加速度等運(yùn)動曲線圖數(shù)據(jù)。

1.2 發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

汽車發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式多種多樣，按照劃分依據(jù)的不同，形狀、種類各異。從機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)角度分析，廣泛應(yīng)用的是對心活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)。這類機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演變而成，將活塞連桿的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)由連桿軸承、連桿軸承蓋、連桿螺栓、連桿、活塞銷、活塞環(huán)、活塞等七大部件組成，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)

汽車發(fā)動機(jī)的環(huán)槽活塞使用最多的有三道，實(shí)現(xiàn)氣缸密封，最下面一道用來安裝油環(huán)。活塞部件與氣缸體共同形成汽油燃燒空間，承受汽油與空氣燃燒反應(yīng)后的氣體壓力，將作用力傳給配合活塞部件的連桿，帶動曲軸曲柄旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生持續(xù)不斷的動力。活塞環(huán)主要分為油環(huán)、氣環(huán)兩種，裝配在活塞環(huán)槽內(nèi)表面，起到氣體密封的作用。活塞銷一般采用低碳鋼或低碳合金生產(chǎn)制造，通常為空心圓柱體，起到活塞與連桿配合的作用。連桿軸承作為發(fā)動機(jī)中最重要的運(yùn)動部件之一，將其安裝在連桿軸承孔座中，提升連桿與曲軸的工作壽命及傳動效率。

1.3 發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)曲線分析

發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的重點(diǎn)研究任務(wù)是分析曲柄、連桿和活塞的運(yùn)動特性。由于曲柄、連桿和活塞屬于不同的運(yùn)動構(gòu)件，運(yùn)動形式也不同，其中，活塞是主動件，因此，研究活塞的運(yùn)動特性是關(guān)鍵。將發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模型簡化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模型，利用Working Model軟件對活塞的運(yùn)動特性進(jìn)行運(yùn)動學(xué)曲線綜合分析，設(shè)置發(fā)動機(jī)曲軸曲柄的恒定轉(zhuǎn)速為800 r/min，簡化后的二維模型如圖3所示。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)二維模型

應(yīng)用Working Model軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即簡化后的發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性曲線，如圖4所示。由圖中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位移曲線分析圖可知：發(fā)動機(jī)活塞工作行程平穩(wěn)，無噪音。由圖中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)速度曲線分析圖可知：發(fā)動機(jī)活塞在循環(huán)工作周期內(nèi)速度變化穩(wěn)定，無剛性沖擊，無沖動現(xiàn)象。由圖中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加速度曲線分析圖可知：發(fā)動機(jī)活塞做功行程加速度趨近于恒定，回程加速度較大，提高了工作效率；加速度曲線連續(xù)不間斷，不會造成柔性沖擊，提高了結(jié)構(gòu)可靠性。

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性曲線分析圖

2 發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

2.1 發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)建模

目前，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析的方法主要有圖解法和解析法兩種，理論分析及工程實(shí)踐均趨于成熟。汽車發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析主要為活塞與連桿之間作用力及力矩的計算分析、連桿與曲軸曲柄之間軸承力以及軸承之間扭矩的計算分析兩大部分。通過分析發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)原理，解決曲軸曲柄的慣性力矩過大及動力平衡不穩(wěn)定的問題，提高發(fā)動機(jī)的動力性能。

綜上所述，將發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析兩大部分進(jìn)行簡化處理，忽略各零部件之間的摩擦阻力、自身重力等，只需要研究分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡化模型中活塞作往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生慣性力的變化規(guī)律。在Working Model軟件中進(jìn)行曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動力學(xué)的建模，定義曲軸曲柄、連桿、活塞等簡化部件的尺寸、質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)，對簡化的各零部件質(zhì)量需要按照相同標(biāo)準(zhǔn)換算，轉(zhuǎn)化為曲軸曲柄銷中心點(diǎn)、活塞銷中心點(diǎn)的等效質(zhì)量。作用在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的力和力矩分別是活塞缸內(nèi)的氣體壓力和慣性力，氣體壓力作用在活塞頂部，通過活塞銷傳遞到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，大小隨曲軸曲柄轉(zhuǎn)動而周期性變化；所受慣性力的大小為產(chǎn)生加速度的大小與產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動的等效質(zhì)量之間的乘積，方向與產(chǎn)生加速度的方向相反。

2.2 基于Working Model曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析

在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，需要把連桿的變形考慮進(jìn)去，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性。在此基礎(chǔ)上，利用計算機(jī)輔助仿真分析軟件得到的結(jié)果會更加精確有效。運(yùn)行Working Model軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，得到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即簡化后的發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)曲線，如圖5所示。由圖中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)總力曲線圖可知：發(fā)動機(jī)活塞所受慣性力大小變化與加速度大小變化規(guī)律相同，做功行程所受慣性力趨近于恒定，回程所受慣性力變化較大，對優(yōu)化發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)各部件尺寸參數(shù)提供了參考方向。由圖中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)總力矩曲線圖可知：發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)在循環(huán)工作周期內(nèi)總力矩趨近于零，工作過程平穩(wěn)，不會產(chǎn)生較大的剛性及柔性沖擊。

圖5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動力學(xué)曲線分析圖

2.3 基于UG曲柄連桿機(jī)構(gòu)建模與運(yùn)動仿真

結(jié)合發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)的分析結(jié)果，利用UG軟件根據(jù)簡化模型的尺寸三維建模，驗證運(yùn)動仿真過程。簡化模型各部件尺寸如下：活塞直徑為85 mm，主軸頸半徑為29 mm，曲軸半徑為47.5 mm，連桿小端直徑為17 mm，連桿大端直徑為30 mm，連桿長度為147.5 mm，曲柄長度為65 mm。發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各零部件的材料特性如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)零部件材料特性

根據(jù)上述尺寸在UG軟件中完成機(jī)構(gòu)中各零件的三維建模，將建模完成的活塞缸、活塞、活塞銷、連桿、曲軸曲柄及底座進(jìn)行裝配，定義各零部件運(yùn)動副類型，添加約束，得到簡化模型曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真過程，如圖6所示。根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真結(jié)果可知：發(fā)動機(jī)活塞在做功行程運(yùn)行平穩(wěn)，回程速度較快，與之前機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性分析規(guī)律保持一致，驗證了機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析結(jié)果的正確性及機(jī)構(gòu)工作的可靠性。

圖6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

3 結(jié)論

目前，有關(guān)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性的研究通常將機(jī)構(gòu)考慮成剛體進(jìn)行計算。課題組先對發(fā)動機(jī)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動特性進(jìn)行理論分析，借助UG軟件進(jìn)行三維建模，利用Working Model軟件進(jìn)行簡化模型運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析。整個仿真分析流程花費(fèi)時間約為5 min，通過建模、導(dǎo)入、求解等步驟，得出發(fā)動機(jī)活塞位移、速度、加速度及慣性力、總力矩的變化規(guī)律，為汽車發(fā)動機(jī)的動力性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。