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1、1,单缸内燃机曲柄滑块机构建模与仿真,Fourbar Slider-Crank Mechanism for Single-Cylinder Internal Combustion Engine安徽工业大学 机械工程 夏洪峰 ,2,如右图为一个内燃机的详细剖面图，其基本机构由一个曲柄、一个连杆和一个活塞（滑块）组成。,图1 V形8缸发动机剖面图,3,本文研究内容：,单缸内燃机的曲柄滑块机构，如下图2所示，曲柄长度r=100mm，=3400r/min, 连杆长度l=350mm，滑块的长度是100mm，底面直径为50mm，曲柄和连杆的材料为铸钢，密度为7800kg/m3，弹性模量E=202000MP
2、a，泊松比=0.3，滑块的材料为黄铜，用ADAMS建立几何模型并对其进行运动学和动力学分析，并将其结果与解析法相比较。,图2 单缸内燃机的曲柄滑块机构,4,一、几何建模,1、启动Adams/View程序，创建一个新的模型，将文件名改为ENGINE。2、根据已知单缸内燃机曲柄连杆机构的几何尺寸建立三 个点，然后在这三个点上依次建立曲柄和连杆，分别命名为Crank、Link，在第三点上用旋转体方式建立滑块机构Slider。如图3所示：,图3 曲柄滑块机构建模,5,3、依次在三个连接点上建立转动副约束，并在滑块与机架之间建立沿水平方向的滑动副，在JIONT_1处添加旋转约束。则模型基本建立，如下图3
3、所示：,图4 曲柄滑块机构模型添加约束,6,4、为了使得所建立的模型具有更好的柔性，可以通过改变参数来修改模型，以达到高效最优的设计目标，我们可以对模型进行参数化设计，即将先前建立的三个Point点修改为参数化点。 根据已知条件r=100，l=350，将POINT_2修改为参数变量DV_1，其它点相应参数化设计如下图5所示：,图5 参数化变量设计,7,先前建模时我们将POINT_2的坐标设为（60，80），为使得后一步的运动仿真的起始角度为0，需要修改模型，使初始状态为曲柄在水平位置，即修改POINT_2的坐标为（100，0)。修改过程为将DV_1由60改为100，如右图6所示：修改后的模型如
4、图7：,图6 修改参数化变量,8,9,二、运动学仿真分析,1、由于已知曲柄转速为3400r/min，即对应在ADAMS里面的曲柄的旋转约束的转速为3400*6d/s，故修改MOTION_1的转速如右图8所示：,图8 修改MOTION转速,10,2、开始进行运动学仿真，将仿真类型设为Kinematic，为了得到2个周期的仿真结果，我们在将End Time设为2/(3400/60)= 0.035294，步长设为200。 仿真过程如下图9所示：,图9 运动学仿真,11,3、保存仿真分析结果，然后进入后处理窗口界面，计算处理运动副上的位移、速度、加速度等的数据。以下分别为滑块Slider的X方向的位移
5、、速度和加速度的图。,图10 滑块的X方向的位移变化图,12,图11 滑块X方向的速度变化图,13,图12 滑块X方向的加速度变化图,14,连杆Link的角速度和角加速度变化曲线图如下：,图13 连杆Z方向的角速度变化图,15,图14 连杆Z方向的角加速度变化图,16,曲柄Crank的角速度变化曲线：,图15 曲柄Z方向的角速度变化图,17,4、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类，通过解析法我们可做以下比较，由教材上的分析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：,18,将其用MATLAB编程运算，取r=100mm；l=35
6、0mm；=（3400/60）2；为得到其解析曲线，编写程序如下： 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); xlabel(Angular(deg); ylabel(Length(mm); grid on,1
7、9,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 运算程序可得到其活塞的位移、速度及加速度曲线分别为：,20,图16 解析法得到的活塞位移变化
8、曲线图,21,图17 解析法得到的活塞速度变化曲线图,22,图18 解析法得到的活塞加速度变化曲线图,23,通过以上的曲线图，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250mm450mm之间变化；速度处于40000mm/s幅度内摆动；加速度大致在-1.751079106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。,24,三、动力学仿真分析,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19所示：,图19 单缸活塞所受到的气体压力值变化曲线,25,这样一个变化
9、力我们在ADAMS里面可以通过建立Spline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，建立txt数据文档，然后导入到ADAMS里的Spline中，如右图所示：,图20 气体压力值变化曲线数据导入,26,将以上导入的数据拟合成Spline曲线如下图所示，这样就可以再用AKISPL函数将此曲线变化力施加到滑块上了。,图21 通过导入数据拟合的Spline曲线,27,在滑块的末端施加一定力，然后在修改为AKISPL， (time,0,SPLINE_1,0)其中SPLINE_1为如前导入的受力曲线名称。施加力后的模型如下图所示：,图22 施加変力载荷后的模型,28,对以上模型进行仿真，设定类型为Dynamic，时间为0.035294s，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下图所示：,图23 曲柄的驱动力矩,29,以上曲线可看出转矩在开始有些不稳定性波动，可能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下图，此与施加的载荷是一致的。,图24 滑块所受到的力变化曲线,30,图25 曲柄所受到的角速度变化曲线,31,图26 连杆所受到的角速度变化曲线,32,图27 连杆所受到的角加速度变化曲线,
