基于ADAMS的單缸內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)建模與仿真

1、1單缸內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)建模與仿真單缸內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)建模與仿真Fourbar Slider-Crank Mechanism for Single-Cylinder Internal Combustion Engine安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程 夏洪峰 2 如右圖為一個內(nèi)燃機(jī)的詳細(xì)剖面圖，其基本機(jī)構(gòu)由一個曲柄、一個連桿和一個活塞（滑塊）組成。圖1 V形8缸發(fā)動機(jī)剖面圖3本文研究內(nèi)容：本文研究內(nèi)容： 單缸內(nèi)燃機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如下圖2所示，曲柄長度r=100mm，=3400r/min, 連桿長度l=350mm，滑塊的長度是100mm，底面直徑為50mm，曲柄和連桿的材料為鑄鋼，密度為7800kg/

2、m3，彈性模量E=202000MPa，泊松比=0.3，滑塊的材料為黃銅，用ADAMS建立幾何模型并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，并將其結(jié)果與解析法相比較。圖2 單缸內(nèi)燃機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)4一、幾何建模一、幾何建模1、啟動Adams/View程序，創(chuàng)建一個新的模型，將文件名改為ENGINE。2、根據(jù)已知單缸內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的幾何尺寸建立三 個點，然后在這三個點上依次建立曲柄和連桿，分別命名為Crank、Link，在第三點上用旋轉(zhuǎn)體方式建立滑塊機(jī)構(gòu)Slider。如圖3所示：圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)建模53、依次在三個連接點上建立轉(zhuǎn)動副約束，并在滑塊與機(jī)架之間建立沿水平方向的滑動副，在JIONT_1處添加旋

3、轉(zhuǎn)約束。則模型基本建立，如下圖3所示：圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型添加約束64、為了使得所建立的模型具有更好的柔性，可以通過改變參數(shù)來修改模型，以達(dá)到高效最優(yōu)的設(shè)計目標(biāo)，我們可以對模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，即將先前建立的三個Point點修改為參數(shù)化點。 根據(jù)已知條件r=100，l=350，將POINT_2修改為參數(shù)變量DV_1，其它點相應(yīng)參數(shù)化設(shè)計如下圖5所示：圖5 參數(shù)化變量設(shè)計7 先前建模時我們將POINT_2的坐標(biāo)設(shè)為（60，80），為使得后一步的運(yùn)動仿真的起始角度為0，需要修改模型，使初始狀態(tài)為曲柄在水平位置，即修改POINT_2的坐標(biāo)為（100，0)。修改過程為將DV_1由60改為100，如右圖

4、6所示：修改后的模型如圖7：圖6 修改參數(shù)化變量89二、運(yùn)動學(xué)仿真分析二、運(yùn)動學(xué)仿真分析 1、由于已知曲柄轉(zhuǎn)速為3400r/min，即對應(yīng)在ADAMS里面的曲柄的旋轉(zhuǎn)約束的轉(zhuǎn)速為3400*6d/s，故修改MOTION_1的轉(zhuǎn)速如右圖8所示：圖8 修改MOTION轉(zhuǎn)速102、開始進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，將仿真類型設(shè)為Kinematic，為了得到2個周期的仿真結(jié)果，我們在將End Time設(shè)為2/(3400/60)= 0.035294，步長設(shè)為200。 仿真過程如下圖9所示：圖9 運(yùn)動學(xué)仿真113、保存仿真分析結(jié)果，然后進(jìn)入后處理窗口界面，計算處理運(yùn)動副上的位移、速度、加速度等的數(shù)據(jù)。以下分別為滑塊Sli

5、der的X方向的位移、速度和加速度的圖。圖10 滑塊的X方向的位移變化圖12圖11 滑塊X方向的速度變化圖13圖12 滑塊X方向的加速度變化圖14v連桿Link的角速度和角加速度變化曲線圖如下：圖13 連桿Z方向的角速度變化圖15圖14 連桿Z方向的角加速度變化圖16v曲柄Crank的角速度變化曲線：圖15 曲柄Z方向的角速度變化圖174、通過以上的運(yùn)動學(xué)分析可知個構(gòu)件的位移、速度及加速度隨時間的變化情況，其都在預(yù)想的范圍之類，通過解析法我們可做以下比較，由教材上的分析可得到單缸內(nèi)燃機(jī)的活塞的位移、速度和加速度的表達(dá)式分別為：tlrtrlrlx2cos4cos42tlrtrx2sin2sint

6、lrtrx2coscos2 18v將其用MATLAB編程運(yùn)算，取r=100mm；l=350mm；=（3400/60）2；為得到其解析曲線，編寫程序如下： t=0:2/(3400/60)/200:2/(3400/60); x=l-r2/(4*l)+r*(cos(w*t)+(r/(4*l)*cos(2*w*t); v=-r*w*(sin(w*t)+(r/(2*l)*sin(2*w*t); a=-r*w2*(cos(w*t)+(r/l)*cos(2*w*t); subplot(2,2,1); plot(w*t*180/pi,x,k); title(Slider Position mm); xlabe

7、l(Angular(deg); ylabel(Length(mm); grid on19 subplot(2,2,2); plot(w*t*180/pi,v,k); title(Slider Velocity mm/s); xlabel(Angular(deg); ylabel(Velocity(mm/sec); grid on subplot(2,2,3); plot(w*t*180/pi,a,k); title(Slider Acceleration mm/s2); xlabel(Angular(deg); ylabel(Acceleration(mm/sec2); grid on 運(yùn)算程

8、序可得到其活塞的位移、速度及加速度曲線分別為：20圖16 解析法得到的活塞位移變化曲線圖21圖17 解析法得到的活塞速度變化曲線圖22圖18 解析法得到的活塞加速度變化曲線圖23v通過以上的曲線圖，我們可以看出：通過解析法得到的活塞X方向的位移、速度和加速度隨時間的變化與使用ADAMS得到的變化曲線基本一致;v位移在250mm450mm之間變化；速度處于40000mm/s幅度內(nèi)擺動；加速度大致在-1.751079106之間變化，且在最大加速度位置有持續(xù)性的小幅度的回落。從而驗證了ADAMS建模與運(yùn)動學(xué)仿真的有效性。24三、動力學(xué)仿真分析三、動力學(xué)仿真分析v已知活塞所受到的是氣體的壓力，其隨時間

9、變化的曲線如圖19所示：圖19 單缸活塞所受到的氣體壓力值變化曲線25v這樣一個變化力我們在ADAMS里面可以通過建立Spline來對其進(jìn)行擬合：首先將以上曲線通過放大獲取49個參考點，建立txt數(shù)據(jù)文檔，然后導(dǎo)入到ADAMS里的Spline中，如右圖所示：圖20 氣體壓力值變化曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入26v將以上導(dǎo)入的數(shù)據(jù)擬合成Spline曲線如下圖所示，這樣就可以再用AKISPL函數(shù)將此曲線變化力施加到滑塊上了。圖21 通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)擬合的Spline曲線27 在滑塊的末端施加一定力，然后在修改為AKISPL， (time,0,SPLINE_1,0)其中SPLINE_1為如前導(dǎo)入的受力曲線名稱。施加力后的模型如下圖所示：圖22 施加変力載荷后的模型28v對以上模型進(jìn)行仿真，設(shè)定類型為Dynamic，時間為0.035294s，步長為200，然后開始仿真，從而得到兩個周期的仿真結(jié)果。保存結(jié)果，然后進(jìn)入后處理，得到曲柄的驅(qū)動力矩如下圖所示：圖23