運用ADAMS進行發(fā)動機曲軸系的動力學分析

1、運用ADAMS進行發(fā)動機曲軸系的動力學分析覃文潔 廖日東北京理工大學車輛與交通工程學院 北京 100081摘 要：往復活塞式內(nèi)燃機的曲軸及連于其上的活塞、連桿、飛輪等各構(gòu)件的運動、受力及扭轉(zhuǎn)振動是其動力學分析的主要內(nèi)容。本文討論了運用多體系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS進行發(fā)動機曲軸系建模和分析的方法，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS建立了某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多體系統(tǒng)動力學模型，并對其平衡特性和曲軸的扭振響應進行了分析。關(guān)鍵詞：曲軸系，ADAMS，多體系統(tǒng)動力學1. 引言往復活塞式內(nèi)燃機的曲軸系是由曲軸及連于其上的活塞、連桿、飛輪等構(gòu)件組成的，其動力學分析主要包括各構(gòu)件的運動與受力分析、發(fā)動

2、機的平衡性分析以及曲軸系的扭振分析等內(nèi)容。作用于系統(tǒng)上的力來自兩個方面，一是氣缸內(nèi)的氣體爆發(fā)壓力，二是運動質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，它們會對機體產(chǎn)生作用力和力矩。由于這些力和力矩是不可能完全平衡的，就會造成發(fā)動機及其支架的振動，導致緊固件松動，個別零件過載損壞，噪音增大，車輛乘員疲勞等不良后果。因此有必要在發(fā)動機設(shè)計階段進行平衡性分析和曲軸系的振動分析，為設(shè)計選型和具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。傳統(tǒng)的分析方法是在對各構(gòu)件進行運動分析的基礎(chǔ)上，計算出各自產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力和往復慣性力，與氣體爆發(fā)壓力合成后求解出對機體的作用力以及曲軸系振動的激振力，這是一個十分繁瑣的過程。運用機械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS，通過建立

3、包括活塞、連桿、曲軸、飛輪在內(nèi)的整個曲軸系的多體系統(tǒng)動力學模型，不僅可以計算出各構(gòu)件的運動規(guī)律和構(gòu)件間的作用力，還可以進一步進行平衡性分析和振動分析。本文針對某型車輛的V型六缸發(fā)動機的曲軸系，在ADAMS中建立其多體系統(tǒng)動力學模型，并進行了相應的動力學分析。2. 發(fā)動機曲軸系的建模方法根據(jù)分析的具體內(nèi)容不同，發(fā)動機曲軸系可以建為不同的模型。對于平衡性分析而言，由于考慮的是運動構(gòu)件慣性力的平衡，可采用多剛體系統(tǒng)模型計算，剛體的質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣性矩可利用CAD軟件（如Pro/E）建立其精確實體模型后分析得到。而要分析曲軸系的振動，則需要將曲軸建為柔性體。曲軸柔性體的建模也可以采用不同的方法。一種

4、方法是根據(jù)傳統(tǒng)的將曲軸系簡化為盤軸系統(tǒng)的思想，將曲軸劃分為由自由端、曲柄段、主軸頸段和尾段等若干剛性段組成的系統(tǒng)，每段之間采用彈性聯(lián)接，其剛度就是被連接兩軸段之間的剛度，剛度值可運用有限元分析得到。另一種方法是采用相對描述的方法，將構(gòu)件的運動分解為剛性整體的牽連運動和相對動參考系的變形運動兩部分，其中變形運動采用模態(tài)向量及相應的模態(tài)坐標來描述，即1其中= 1 2 N 為模態(tài)向量矩陣，q= q（t）為模態(tài)坐標，N為模態(tài)向量數(shù)。模態(tài)分析可利用有限元分析軟件來完成，通過生成模態(tài)中性文件（.mnf文件）可直接輸入ADAMS建立柔性體模型。由此可以看出，發(fā)動機曲軸系的建模綜合使用了CAD軟件、有限元分析

5、軟件和機械系統(tǒng)仿真軟件，三者之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系如圖1所示2：系統(tǒng)中各構(gòu)件間的約束視分析的問題可采用理想約束，但在計算機體的支承力時應計及支承剛度，即采用彈性支承。作用于系統(tǒng)的外力主要是氣體的爆發(fā)壓力，該力是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，可根據(jù)示功圖得出，沿氣缸軸向施加于活塞頂部。圖1 CAD軟件、有限元分析軟件和系統(tǒng)動力學分析軟件的數(shù)據(jù)流3. 某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多體系統(tǒng)模型3.1 多剛體系統(tǒng)模型該模型可用于計算系統(tǒng)中各構(gòu)件的運動規(guī)律及構(gòu)件間的相互作用力，進行平衡性分析。圖2就是某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多剛體系統(tǒng)模型，其中活塞、連桿、曲軸等構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置及慣性矩是采用Pro/E軟件建立

6、了相應零件的精確實體模型后分析得到的。圖2 多剛體系統(tǒng)模型3.2 含曲軸柔性體的多體系統(tǒng)模型曲軸的柔性體是利用有限元分析軟件ANSYS對曲軸建立有限元模型，并進行模態(tài)分析計算出曲軸的前20階模態(tài)之后，產(chǎn)生一個模態(tài)中性文件（.mnf文件）輸入ADAMS中建立的。在建立曲軸的有限元模型時，需要在主軸頸與機體以及曲柄銷與連桿相連的位置設(shè)置結(jié)點，以便在該處施加約束。下圖就是在ANSYS中建立的曲軸有限元模型：圖3 曲軸的有限元模型其它零件在系統(tǒng)中的作用只是傳遞氣體爆發(fā)壓力和由于運動產(chǎn)生慣性力，建為剛體即可。將多剛體系統(tǒng)中的剛體曲軸換為柔性曲軸就得到多體系統(tǒng)模型，如下圖所示：圖4 含曲軸柔性體的多體系統(tǒng)

7、模型4. 分析結(jié)果4.1 發(fā)動機的平衡性分析采用多剛體系統(tǒng)模型，對曲軸施以速度為發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)運動激勵，求得活塞、連桿、曲柄等運動質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力在曲軸尾端（飛輪端）主軸頸中點處沿Y、Z方向（X為曲軸軸向）的合力和合力矩如下圖所示：圖5 慣性力系在曲軸尾端主軸頸中點處的合力圖6 慣性力系在曲軸尾端主軸頸中點處的合力矩由圖6可以看出，該曲軸系的慣性力系在曲軸尾端主軸頸中點處的合力矩非常小，接近于零，可以認為該慣性力系是通過該點的一個力。4.2 曲軸的扭振分析往復活塞式發(fā)動機各缸的工作是周期性的，氣缸內(nèi)的氣體壓力和活塞、連桿等運動質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力傳遞到曲軸上，使曲軸承受著周期性交變載荷的作用

8、。這個載荷可以分解為切向力和徑向力。切向力產(chǎn)生扭矩，帶動發(fā)動機運轉(zhuǎn)，不均勻的扭矩將引起曲軸的扭振。徑向力將使曲軸發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生彎曲振動。由于曲軸彎曲振動的自振頻率相當高，其共振轉(zhuǎn)速比發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速高得多，因此在初步計算中可不予考慮。而扭振的自振頻率一般較低，往往會落在發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對其工作造成危害，因此必須對其進行分析3。本文利用某型車輛V型六缸發(fā)動機曲軸系的多體系統(tǒng)模型，計算得到發(fā)動機以其額定轉(zhuǎn)速運行時自由端產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形如下圖所示：圖7 曲軸自由端的扭轉(zhuǎn)變形圖 通過FFT變換后得到的頻域響應如下圖所示：圖8 曲軸扭振響應的頻域結(jié)果由圖可以看出，由于該發(fā)動機的功率較大，曲軸的扭

9、振響應較為強烈，在設(shè)計應予以重視。5. 總結(jié)1. 結(jié)合CAD軟件和有限元分析軟件，運用ADAMS對發(fā)動機曲軸系進行多體系統(tǒng)動力學分析，不僅可以計算出各構(gòu)件的運動規(guī)律和構(gòu)件間的作用力，還可以進行平衡性、扭振等動力學分析；2. 發(fā)動機曲軸系的多體系統(tǒng)動力學分析根據(jù)其內(nèi)容的不同,可以建立不同的模型。參考文獻:1.陸佑方. 柔性多體系統(tǒng)動力學M. 北京: 高等教育出版社, 19962.丁能根，廉保續(xù). CAE在汽車開發(fā)中的應用與實踐. 計算機輔助設(shè)計與制造. 2000,63.余成波, 何懷波, 石曉輝. 內(nèi)燃機振動控制及應用M. 北京:國防工業(yè)出版社, 1997Abstract: The motion

10、s, loads and torsion vibrations of the parts in crank gears of reciprocating piston engines are the main contents in the dynamics analysis. The method of model establishment and simulation of engines crank gears applying ADAMS software is discussed in this paper. Integrated with the FEM software ANSYS, the multibody system dynamics model of one vehicles crank g