柴油机设计与制造 Ｄｅｓｉｇｎ＆ＭａｎＬＬｆａｌｃｔⅢ．ｅ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ２００８年第４期第ｌ５卷（总第ｌ２５期） 基于虚拟样机技术的柴油机 曲柄连杆机构动力学仿真研究 赵丕欢樊文欣张保成郭常立 （中北大学机械工程及自动化学院，山西太原Ｏ３ｏ０５１） 摘要基于虚拟样机技术及其支撑软件ＡＤＡＭＳ及Ｐｒ０／Ｅ和ＡＮＳＹｓ，实现了对柴油机曲柄 连杆机构的动力学仿真。通过多刚体系统动力学和多柔体动力学仿真柴油机的运行，获取了仿真 模型的动力学特性数据，为柴油机曲柄连杆机构对机体的激励力的优化设计和有限元分析提供了 参考依据。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｍｕｌａ廿Ｏｎ ０ｆ ｄｙｎａｍｊｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒ习ｕ ｔ瑚血ｏｆ ａ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇ．ｍｅ ｃａｎ ｂｅ ｃａｍｅｄ Ｏｕｔ ｂｙ ｕｓｉＩ 、，ｊ巾ｌａ】ｐｒｏｔｏ切 ｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏ ａＳ ｗｅＵ习ｕｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｖｅ ｓｏ腑ａｒｅ ＡＤＡＭＳ ａｎｄ Ｐｍ／Ｅ ａｎｄ ＡＮｓＹＳ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａ廿Ｏｎ．Ｔｈｅ ｃ删 ｔｒ乏血ｄｙｎ脚ｄｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ缸ｃｓ ０ｆ ａｎ ｅｎｇ．ｍｅ ａｒｅ ｏｂｔａｍｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａ缸ｏｎ ｏｆ ｄｙｎａｒｎｉｃｓ ｏｆ ｅｎｇ．ｍｅ ｏｐｅ胁ｏｎ ｐｅ—．ｏｍｅｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｍ 一ｎｅ】ｄｂｌｅ ｂｏｄｙ ｄｙ一 “Ａｍｉｃｓ ａｎｄ ｍｕｌ廿一ｒｉ ｄ ｂｏ Ｉｙ ｄ ｌ删ｃｓ，ｗｈｉｃｈ ｇｉＶｅｓ ａ ｆ０ｕｎｄａ廿叽ｆｂｒ ０ｐ廿ｍｉｚａ舡ｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆｊｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａ瑚】ｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｃｉｔａ廿０ｎ ｆ０ｒｃｅ ｏｆ ｃｍｌ【ｔｒａｉｎ ｏｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｌｏｃｋ ｏｆ ａ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎ ． 关键词：柴油机曲柄连杆机构动力学 Ｋｅｙ ｗＯｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ，ｃｒａｎｋ ｔｒａｉｎ，ｄｙｎａｍｉｃｓ １前言 进行描述，对于刚体，采用质心在惯性参考系中 虚拟样机技术在内燃机领域获得了越来越广泛 的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐 的应用．利用计算机建造柴油机曲柄连杆机构的实 标：ｇｌ＝【 ， ，ｚ， ， ， 】：，ｇ＝ｌ ｇ ，…， 『，即每个 体模型，并进行动力学仿真分析，可得到整个系统 刚体用６个广义坐标描述。系统动力学方程是最大 协调运作下的运动规律和动力学特性参数。 数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀 本文以多体系统动力学为理论基础，采用 疏矩阵的方法高效求解。 ＡＤＡＭＳ及Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＮＳＹＳ软件平台进行柴油机 应用拉格朗日待定乘子法，得到多刚体系统的 曲柄连杆机构多刚体系统动力学和多柔体动力学仿 动力学方程为： 真的动力学仿真．并对二者结果进行比较。得出结 ｒ＋ ｐ＋ “一Ｑ＝Ｑ 论为在设计阶段进行柴油机振动噪声预测和低噪声 设计提供数据参考㈣。 ２曲柄连杆机构多体动力学模型的建立 ２．１多刚体系统动力学模型的建立 ２．１．１多刚体系统动力学方程 ｑ——广义坐标列阵； ＡＤＡＭＳ多刚体系统运动微分方程是采用拉格 Ｑ——广义力列阵； 朗日方程建立的。首先选择适当的广义坐标对物体 ｐ——对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 来稿日期：２ＯＯ８—１Ｏ一１４ 作者简介：赵丕欢（１９７８一），男，在读硕士研究生，主要研究方向为内燃机总体技术及结构动态设计。 一２０一（４ｌ２） ——对应于非完整约束的拉氏乘子列阵； ——系统能量。 Ｑ： ＋ 一 Ｉ‘一Ｌ Ｖ Ｊ ＋ ＋ 十 ＋其中， （ｇ，ｆ）＝０为完整约束方程， （９，牙，，）＝０ 为非完整约束方程。 ２．１．２多刚体系统模型的建立 柴油机曲柄连杆机构多刚体系统动力学模型主 ｌＬ Ｊ 式中， 、 、 分别表示柔性体的广义坐标和它们 要包括：曲轴系统（包括曲轴和飞轮）刚体模型及活 塞组件刚体模型和连杆组件刚体模型。各构件间的 对时间的导数； 、 分别表示柔性体的质量矩阵 和对时间的导数； 为模态刚度矩阵；Ｄ为模态阻 连接副以及作用于系统上的最高燃烧压力和重力。 应用ＰｒＱ 实体建模软件，经过详细建立零部件的 尼矩阵； 为广义重力； 为对应于约束的拉格朗 日乘子；Ｑ为对应于外力的广义力。 三维实体模型，从而精确获得建立其运动学微分方 程所需要的参数是零件质心的位置、质量及转动惯 量等参数。在 ）ＡＭ 提供的曲柄连杆机 构模板中修改有关发动机的总体参数或零部件的总 体尺寸，其多刚体系统动力学仿真模型如图１。 图１ 多刚体系统动力学仿真模型 ２．２柔体系统动力学模型的建立 ２．２．１多柔体系统动力学方程 ＡＤＡＭＳ多柔体是采用将零件的运动分解为整 体（物体参考系）的刚性运动和相对于物体参考系 的变形运动的相对描述法 。变形运动近似采用离 散的有限个自由度位移来表示，在小弹性变形的范 围内，位移可用模态向量及相应的模态坐标的线性 组合来描述。 ＝ ·ｇ 式中， 为模态向量矩阵；模态坐标 ｇ＝ ，ｇ：，…，ｇ肺｝‘，ｍ为模态坐标数。则柔性体的 广义坐标可表示为 ＝｛］ｃ， ，ｚ， ， ， ，ｇ ｝‘ ｆ＝（１，２，…， ） 约束方程和作用力方程采用广义坐标表达式． 则应用拉格朗日乘子法建立的系统运动微分方程为 ２．２．２曲轴柔体模型的建立 将建好的曲轴模型导人ＡＮｓＹ＿ｓ。采用有限元 法对曲轴进行离散化，形成曲轴的有限元模型。并 进行模态综合分析，产生一个包含零件材料、 节点、单元和模态信息的模态中性文件阎，以满足 ）ＡＭＳ中建立柔性体模型的需要，曲轴的有限元 模型如图２。 图２曲轴的有限元模型 ２．２．３柔体系统模型的建立 柴油机曲柄连杆机构多刚体系统动力学模型主 要包括：曲轴系统（包括曲轴和飞轮）柔性体模型 及活塞组件刚体模型和连杆组件刚体模型。各构件 问的连接副以及作用于系统上的最高燃烧压力和重 力。在 ）ＡＭ ｉｅｗ中，将转好的Ｐａｒａｓｏｕｄ格式 文件模型导入曲轴系的刚体模型。同时导人曲轴的 柔性体文件，生成柔性曲轴，用柔性曲轴替换装配 模型中的刚性曲轴，并根据各部件间的实际运动关 系将运动副简化成ＡＤＡＭＳ中的理想约束。最后在 ）ＡＭｓ／Ｅｎｇ＿ｍｅ中导人：Ｉ：．ｍｎｆ文件，建立柔性体， 生成曲柄连杆机构柔体动力学模型如图３。 图３曲柄连杆机构柔体动力学模型 （４ｌ３）一２１— ３曲柄连杆机构多体动力学仿真分析 ３．１ 曲柄连杆机构多体动力学边界条件的施加 在柴油机额定转速ｎ＝２ ５００ Ｌ，瑚ｊｎ时，分别对 柴油机曲柄连杆机构多刚体系统模型和柔体动力学 模型施以旋转运动激励。柴油机发火顺序为ｌ一５一 ４—２—６—３—７—８，所以在施加气体压力边界条件时应 按此顺序相间９０。相位角分别沿气缸轴向施加于活 塞顶部。根据实验所测得的示功图（如图４）施加 气体压力，具体施加是设定测量得到曲轴在一个工 作周期内，各个活塞的速度曲线，将测量结果保存 为样条曲线（ｍ ｏｎ—ｓｐｕｎｅ）以作为分析多体系 统模型的运动驱动。 岛 室 出 盈、 ∞ 加 ５ ０ 曲轴转角／ｏＣＡ 图４ 柴油机标定工况下的示功图 ３．２曲柄连杆机构多体动力学仿真结果分析 仿真分析所得到的活塞侧推力如图５、图６和 曲轴主轴颈合力载荷如图７～１ｌ。 由图５可知活塞对第３缸的侧推力最大是 ２Ｏ．４５ ｌ（Ｎ，对第ｌ缸的侧推力最小，为１６．９ ｋＮ； 由图６可知活塞对第３缸的侧推力最大是２０．４ Ｎ， 对第１缸的侧推力最小，为１７．６ ｌｉ 。综合柔性体 和刚性体仿真结果可知活塞对各缸的侧推力基本一 致．只是在相位上相差９０。，图中出现大的峰值是 由于作功过程中活塞受到燃气压力巨大的冲击力而 引起的。 由图７和图１ｌ可看出主轴颈ｌ和主轴颈５柔 性体曲轴最大受力载荷比刚性体曲轴小，图８至图 １Ｏ可看出主轴颈２、３、４柔性体曲轴最大受力载 荷比刚性体曲轴大，它们的受力频率和峰值也比主 轴颈１、５大，同时可看出主轴颈３小于主轴颈２、 ４的峰值受力．通过分析发现主要是因为点火顺序 对此造成的影响。 综合主轴颈合力仿真结果图可知柔性体与刚性 一２２一（４１４） ２５１ 。 Ｊ ｌ 蚕 ：Ｉ 一ｌ 票５１ 诞０１ 一ｓ｛ 一１０ ｊ ２５０ ５００ ７５０ 曲轴转角， Ａ 。 图５柔性体活塞侧推力 ． 加 ０ ２５０ ｕｕ 曲轴辜睾角， Ａ 图６刚性体活塞侧推力 曲轴转角， Ａ 图７第一曲轴主轴颈舍力栽荷图 曲轴转角，℃Ａ 图８第二曲轴主轴颈合力栽荷图 暮悄蜒 体的载荷变化趋势基本一致。刚性载荷的最大、最 小极值差没有柔性体大，而柔性体出现多次峰值， 且最大、最小极值差也较大，这表明柔性体的自身 扰曲变形及相邻气缸做功的叠加增加了曲轴的载 荷．并使工作状况更加复杂。 曲轴主轴颈的载荷会影响到润滑油槽和进油口 的布置以及轴颈的磨损，在各主轴承载荷图中可以 看到各轴颈载荷变化不尽相同，在曲线峰、谷对应 的曲轴转角位置应尽量避免在这些位置附近布置油 槽或油孔。 图９第三曲轴主轴颈合力载荷图 ４结论 １）运用多体系统动力学可以建立包括活塞、 连杆、曲轴等在内的整个动力传动系统的动力学模 型，得出作用于构件上的动态载荷，为以后的曲轴 系统对机体的激励力、振动噪声及轴承润滑等方面 的研究奠定了基础。 ２）曲轴柔性模型对主轴承载荷影响显著，载 荷状况更加复杂。由于分析了曲轴弹性特性的影 响。所以该分析结果较之刚体模型所分析的结果具 有更高的分析精度和可靠性。 参考文献 图１０第四曲轴主轴颈合力栽荷图 ｌ Ｍｏｕｒｅｌ础ｏｓ Ｚ Ｐ．Ａ（ 豫ｎ ｕｆｔ ｓｙｓｔｅｍ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｔｒＩ】ｃ臼】ｒａ】ＤｙｎａＩｎｊｃ Ａｎａ】ｙｓｉｓ ０ｆ ｈＩｔｅｒｎ Ｃｏｍｂｕｓｎ０ｎ Ｅｎ ｎｅｓ．Ｃ０ｍｐｕｔｅｒＳ ａｎｄ ｓｔｍｃｔｕｒｅｓ，２００１，７９（２０）． ２郭磊。郝志勇，徐红梅．某单缸柴油机气缸体辐射 噪声的集成化虚拟预测．内燃机工程，２００７（４）． ３程金林，郝志勇，韩松涛等．一种车用高速柴油机 曲柄连杆机构的动力学仿真分析．汽车技术，２ｏ０ｌ （１２）：５—８． ４陆佑方．柔性多体系统动力学．北京：高等教育出 曲轴转角， Ａ 版社．１９９６． 图１１ 第五曲轴主轴颈合力载荷图 ５戴旭东，王义亮，袁小阳等．多缸内燃机缸体瞬态 动力分析．内燃机学报，２００３Ｃ３）． （４ｌ５）一２３—