机械原理之adams建模发动机Word文档格式.docx
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学号:
班级:
150713
2017年5月22日
基于ADAMS的内燃机的仿真与分析
北京航空航天大学机械工程及自动化学院
摘要
本文主要针对内燃机,首先绘制机构的运动简图,理论验证机构工作原理的可行性;
然后使用SolidWorks软件对机构进行三维实体建模,使用ADAMS软件对机构进行仿真与分析。
通过仿真,不仅验证了手摇抽水机原理的可行性,而且对机构传力特性的分析,验证了此机构设计的合理性。
关键词:
ADAMS;
内燃机;
传力特性.
1、机构简单分析
图1所示为一内燃机,图1为单缸四冲程内燃机,其工作原理的描述可参考图2。
该机器内含有三种机构:
曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构。
其中,由缸体4、活塞3、连杆2和曲轴1等组成曲柄滑块机构,用于实现移动到转动运动形式的转换。
由凸轮5和推杆6组成凸轮机构,主要在于凸轮5利用其特定轮廓曲线使推杆6按指定规律作周期性的往复移动;
齿轮1'
、9、5'
组成齿轮机构,其运动特点在于将高速转动变为低速转动。
上述三种机构按照一定的时间顺序(如图)相互协调、协同工作,将燃气燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能,从而使这台机器输出旋转运动和驱动力矩,成为能作有用功的机器。
图1内燃机
单缸四冲程内燃机的工作原理如图2所示,当燃气在缸体内腔燃烧膨胀而推动活塞移动时,通过连杆带动曲轴绕其轴线转动。
为使曲轴得到连续的转动,必须定时地送进燃气和排出废气,这是由缸体两侧的凸轮,通过推杆、摆杆,推动阀门杆,使其定时关闭和打开来实现的(进气和排气分别由两个阀门控制)。
曲轴的转动通过齿轮传递给凸轮,再通过推杆和摆杆,使阀门的运动与活塞的移动位置保持某种配合关系。
以上各个机件协同工作的结果,将燃气燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能,从而使这台机器输出旋转运动和驱动力矩,成为能做有用功的机器,能使飞机飞行,也能使汽车行驶、船舶航行。
根据机构工作原理,绘制的内燃机的运动简图如图2所示。
图2内燃机运动简图
经分析可知,此机构为复杂机构,包含滑块连杆,凸轮推杆,轮系机构,凸轮与两个齿轮锁定,其中活动构件数目n=7,低副数目PL=5,高副数目PH=8,因而机构自由度
F=3n-2PL-PH=3×
7-2×
8-1×
5=1
因为此四杆机构的自由度为1,而机构的主动件数目也为1,所以机构具有确定运动。
2、机构的三维实体建模
使用SolidWorks软件建立的三维实体模型(用实物图的形式创建)如图3所示,我把推杆上部的结构简化,用图一所示的结构,推杆上部为空筒。
为便于观察机构的内部机构,在建模时对机壳、齿轮更改透明度。
如图(a):
小、大齿轮齿数比为1:
2;
两个凸轮有270°
是同一圆弧,还有90°
范围为凸起,两个凸轮固定时相差90°
,当滑块连杆伸直竖直时,左边凸轮与水平方向相差45°
,右边凸轮与水平方向相差135°
(如图a中两根蓝色基准轴)。
这样机构运动时符合四冲程内燃机运动时间顺序。
(a)主视图(b)侧面图
(c)有机壳的
(d)机壳内部
图3内燃机三维模型(已透视)
3、机构的ADAMS仿真分析
模型的创建
在adams中创建齿轮、凸轮、连杆、滑块、弹簧等机构(用原理图的形式创建)且确定位置,得到图四。
图4内燃机仿真的初始位形
模型的完善
按照机构实际,对构建的机构进行运动副和主运动的添加,添加后的结果如图5所示。
由于内燃机点然后力和压缩时力很复杂,所以简化为将主运动添加在小齿轮的连杆上,主运动为*time。
在完善模型后,可对机构进行仿真。
图5完善后的内燃机机构
机构分析
(1)运动分析
图6齿轮运动角度和时间图
图7推杆位移时间图
由前文的运动简图可知,该机构为复杂机构,能够将滑块的往复摆动,转化为凸轮的往复移动,从而实现机构连续运动的功能。
机构的运动仿真结果可见所附文件《内燃机》《内燃机》。
(2)力学特性分析
由于此机构要完成放气,输油的任务,下面对凸轮推杆的传力特性进行分析。
压力角或传动角是判断连杆机构传力性能优劣的重要的标志。
下图是凸轮推杆的压力角变化曲线。
图8推杆凸轮压力角随时间变化的规律
由图8可知,在凸轮运动的作用下,压力角的变化范围为-40°
~45º
,因而可知,此时该机构传动角的范围为45~90º
,最小传动角的值为45º
,机构具有较好的传力性能。
图9弹簧受力时间图
图10推杆杠杆之间受力时间图
由图9发现弹簧伸长压缩过程中受力总体趋势符合胡克定律,但是幅度很大,力的大小变化快速,弹簧震动明显。
不利于弹簧寿命。
由图10,推杆和杠杆间的力变化也很大。
上述两个力不利于机构的有效运转,有待优化。
由以上分析可知,图2中所示的内燃机机构可以较好地实现手动连续抽水的功能,机构设计具有很好的合理性。
4、结束语
使用SolidWorks三维建模软件和ADAMS虚拟样机仿真分析软件,不仅可以快速方便的建立机构的三维模型,而且能够对机构进行运动学与动力学仿真。
这对于机构的设计和验证有重要意义。
其中,由于虚拟样机有别于物理样机,只要能够表达机构真实的运动情况即可,并不需要完全再现机构本身的所有细节。
而且虚拟样机具有低成本,易复制,易系列化等特点,这对于节约设计成本和缩短产品开发周期有重要意义。
参考文献
[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2009年2月.