ADAMS小论文.docx

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ADAMS小论文

分类号_TH16__密级_____________

UDC_______________

小论文

ADAMS的单缸内燃机曲柄连杆机构建模与仿真

研究生姓名李劲松

任课教师姓名、职称阴艳超（教授）

学科专业机械工程

学号**********

论文工作

课程起止日期2014年5月至2014年6月

论文提交日期2014年6月21日

基于ADAMS的单缸内燃机曲柄连杆机构的建模与仿真

摘要

以ADAMS的动态仿真工具为平台，建立了单缸内燃机曲柄连杆机构动力分析的仿真模型，研究了曲柄连杆机构的惯性力对机体产生的干扰和平衡问题。

研究结果表明，改变曲轴的质量特性参数对机体的干扰力有不同程度的影响，其质心位置对惯性力平衡有较大的影响。

ADAMS仿真方法能方便和准确地得到机构的运动与动力参数，从而为机构的选型和优化设计提供了参考依据。

关键词：

动力机械工程；曲柄连杆机构；动力分析；ADAMS；单缸内燃机；参数优化

TheDynamicAnalysisontheCrank-connectingRodofSingle-cylinderInternalCombustionEngineBaseonADAMS

Abstract

ThispaperisBaseonADAMSwhichisadynamicsimulationtool,asimulationmodelofdynamicanalysisisestablishedinthecrank-connectingrodofsingle-cylinderinternalcombustionengine,inertiaforcesofthemechanismwhichfunctiononthecylinderblockandthebalanceproblemisstudied.Theresultsshowthatmodifyingmassparametersofcrankhavedifferenteffectsonthecylinderblock,especiallythearrangementofcounterweight.ByADAMS,themotionanddynamicdatacanbeacquiredconvenientlyandexactly,thereferenceofchoosingmechanismandoptimizingdesigncanbeprovided.

KeyWords:

Powerandmachineryengineering;Thecrank-connectingrodmechanismdynamicanalysis;ADAAMS;Single-cylinderinternalcombustionengine;Parameteroptimization

第一章绪论

内燃机曲柄连杆机构在运动过程中会产生往复惯性力和离心惯性力。

这些力对机座产生的周期性作用力和力矩将传给基础或动力装置。

并引起振动。

使内燃机的零件磨损增加、寿命降低、噪声升高。

因此。

曲柄连杆机构的惯性力必须平衡。

但是。

目前的惯性平衡通常采用设计修改、样机反复试验的方法。

消耗大量的人力和物力。

本文以S195柴油机为例。

以机械系统自动动力学仿真软件ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）为平台。

对单缸内燃机的曲柄连杆机构进行了动力学分析的计算机模拟研究。

以便提高工作效率。

更好地研究机构在工作过程中的运动规律、机构运动过程中的惯性力对机体产生的干扰力以及惯性力的平衡问题。

在产品研制周期中。

包括样机概念设计、设计细化、设计验证、试验规划和工作状态重演几个过程阶段。

ADAMS软件是美国MDI公司开发的虚拟样机软件。

具有强大的大位移和非线性分析求解功能。

运用其对机械系统进行运动学或动力学分析。

可以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度。

以及引起系统及其各构件运动所需的作用力和反作用力。

是实现虚拟样机技术的一个强有力开发工具[1]。

第二章机构建模和参数优化

2.1机构的运动简图和作用力分析

单缸内燃机的基本结构是中心式，气缸中心线通过曲柄旋转中心。

单缸内燃机的曲柄滑块机构运动和机体受力简图如图2.1所示。

图2.1曲柄连杆机构的运动受力简图

曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴组等3大部件组成。

其中。

活塞组包括活塞、活塞销、活塞环、挡圈等零件。

它沿气缸做往复直线运动：

连杆组由连杆及附件（连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓等）组成。

它做平面运动；曲轴组包括曲轴、曲柄臂、主轴颈等。

它绕曲轴轴线做旋转运动。

就单缸机的曲柄连杆机构来说。

如果不考虑气体压力的作用，它对内燃机机体的作用力主要有：

1）曲轴对机体主轴承的作用力，可分解为沿x方向的作用力

，I和沿Y，方向的作用力

；

2）活塞对机体（气缸壁）的侧推力

，也可以用一个通过主轴承上垂直于气缸中心线相等的平行力

和力矩M来代替。

所以，单个曲柄连杆机构对机体的作用结果是使机体受到以下几个力的作用：

一个沿着气缸中心线方向的力

，引起机体的纵向振动，称为纵向干扰力；一个垂直于气缸中心线的力

，引起机体的横向振动，称为横向干扰力；一个使机器在垂直于曲轴轴线的平面内摆动的力矩

，称为倾覆力矩。

2.2仿真模型建立

在ADAMS环境下，用本身提供的部件库、约束库、运动发生器、广义力和力矩产生系统模型，并定义活塞组、连杆组和曲轴组的质量、惯量矩阵、刚体坐标和质心位置。

刚体转动惯量矩阵各元素可通过实验测试和理论计算的方法来确定，而通过Pro/E软件分析模块中的质量特性分析功能来确定也是一种有效的方法。

实验测试的方法较繁琐，易受到条件的限制；理论计算的方法对形状规则的刚体比较容易计算，对于形状不规则的刚体，计算过程非常复杂，要用积分的近似计算方法来计算；用Pro/E软件来计算，则基本不受条件的限制[2]。

单缸内燃机的曲柄连杆机构活塞组、连杆组和曲柄组的各个参数如下：

曲柄长度r=100mm，

，连杆长度l=350mm，滑块长度是100mm，底面直径为50mm，曲柄和连杆的材料为铸钢，滑块的材料为黄铜。

经过仿真，滑块的X方向位移、速度、加速度变化图如图2.2所示。

从图中我们可以看出，活塞运动的速度、加速度均按一定的周期发生变化。

当活塞位于上止点时的加速度最大，且与速度的方向相反，活塞在该位置所受到的阻力最大。

图2.2滑块的X方向位移、速度、加速度变化图

通过以上的运动学分析可知个构件的位移、速度及加速度随时间的变化情况，其都在预想的范围之内，由相关资料和机械原理的内容可得到单缸内燃机的活塞的位移、速度和加速度的表达式分别为：

2.3利用MATLAB对所建立模型进行运动仿真的有效性验证

MATLAB中滑块在X方向的位移、速度、加速度变化如图2.3所示。

图2.3MATLAB中滑块在X方向的位移、速度、加速度变化图

通过图2.3所示，我们可以看出：

通过解析法得到的活塞X方向的位移、速度和加速度随时间的变化与使用ADAMS得到的变化曲线基本一致。

位移在250mm~450mm之间变化；速度处于±40000mm/s幅度内摆动；加速度大致在

之间变化，且在最大加速度位置有持续性的小幅度的回落。

从而验证了ADAMS建模与运动学仿真的有效性。

2.4运动学仿真分析

已知活塞所受到的是气体的压力，其随时间变化的曲线如图2.4所示。

图2.4单缸活塞所受到的气体压力值变化曲线

我们在ADAMS里面可以通过建立Spline（曲线）来对其进行拟合：

首先将以上曲线通过放大获取49个参考点，然后导入ADAMS里的Spline中如图2.5所示。

图2.5气体压力值变化曲线数据导入图

在滑块的末端施加一定力，修改近似拟和法曲线函数AKISPL（time,0,SPLINE_1,0）其中SPLINE_1为如前导入的受力曲线名称。

施加力后，对以上模型进行动力学仿真，设定类型为Dynamic，步长为200，然后开始仿真，从而得到两个周期的仿真结果。

保存结果，然后进入后处理，得到曲柄的驱动力矩如图2.6所示。

图2.6理想曲柄的驱动力矩图

本文只是理想化的建模仿真，在实际的内燃机设计过程中，还应该考虑到缸内气体压力和零件惯性力引起的活塞侧压力。

但是零件惯性力引起的活塞侧压力和机体干扰力曲线生成有些问题，曲柄的驱动力矩，如图2.7所示。

图2.6曲柄的驱动力矩图

我们从以上曲线可看出，转矩在开始有些不稳定性波动，这是因为与起始力的突然变化有关。

同样我们可以得到滑块的受力如图2.8所示，此与施加的载荷是一致的。

图2.7滑块受力变化曲线图

第三章结束语

本文建立了内燃机曲柄连杆机构简化后的仿真模型。

在ADAMS环境下研究了在考虑缸内气体压力影响的情况下的运动情况。

利用spline函数模拟气缸内气体压力。

分析了内燃机在实际情况下的动力情况。

但是结果表明没有考虑其工作过程中的其他构件例如缸体产生的干扰力，对实际设计还是有很大影响。

通过比对发现，对于实际产品，简化和非简化的模型偏差比较大，因此在复杂构建的设计过程中不可取仿真结果与内燃机的实际工作状况基本一致。

但是该方法为曲柄连杆机构的设计计算提供了一种简便有效的思路，也为曲柄连杆机构的选型、设计提供了一种参考依据。

利用ADAMS对曲柄连杆机构进行了运动学和动力学仿真，并通过MATLAB对机构的运动学计算公式编写了计算程序，验证了模型的正确性。

与其他方法相比[3-5]，采用ADAMS软件能帮助工程技术人员方便、快捷、准确地得到机构的运动与动力数据。

参考文献

[1]郑建荣．ADAMS虚拟样机技术入门与提高[M]．北京：

机械工业出版社，2005．

[2]王云霞。

单缸内燃机曲柄连杆机械动力学的计算机模拟研究[D]。

南京：

南京农业大学，2001．

[3]李秀红，吴风林，任家骏。

曲柄滑块机构的运动仿真系统[J]．太原理工大学学报，2002，33

（1）：

71-73．

李润方,王建军.齿轮系统动力学.北京:

科学出版社,1996.

[4]高晓红，褚金奎，郭晓宁。

齿轮连杆机构力分析与运动分析[J]．西安理工大学学报，2002，18（3）：

289-293．

[5]闶剑青，徐梓斌，舒建武。

铰链六杆机构的动力学分析系统[J]。

机械传动，2005，20

（2）：

31-33．