（动力机械及工程专业论文）发动机轴系扭振及动力学研究.pdf

摘要 摘要 曲轴是发动机中最主要的运动部件之一。近年来随着对发动机动力性和可靠 性的要求不断提高，曲轴的工作条件愈加苛刻，曲轴强度，振动等问题变得更 加重要，是发动机设计的重点和难点。传统设计、分析方法的简化难以满足实 际的需要，先进仿真技术的应用使得较精确地分析曲轴动力学问题成为可能。 本文应用三维建模软件p r o e 建立6 1 3 5 柴油机曲轴轴系所有零件的三维实体 模型、完成自底向上的虚拟装配，同时利用p r o e 的模型分析功能确定了所建立 实体模型的材料特征参数和质量特征参数；使用m a t l a b 编制实现霍尔茨算法的扭 振计算程序；使用专业动力学分析软件g t - c r a n k 进行了6 1 3 5 柴油机的动力学和 扭转振动特性的分析和研究。 通过m a t l a b 编制实现霍尔茨算法的扭振计算程序，对该6 1 3 5 柴油机的扭转减 振器进行了匹配计算，安装新匹配橡胶减振器后的减振性能将是比较理想的， 在转速范围内共振振幅及合成振幅均在设计要求之内，在高速区没有明显共振 区。 对6 1 3 5 柴油机轴系进行了动力学、扭转振动特性仿真分析，得到了所需要 的各种数据如主轴承载荷、连杆受力、扭振各阶固有频率和振型，并与相关分 析结果进行对比分析和研究，检验了该6 1 3 5 柴油机曲轴轴系动力学和扭振特性 分析的合理性、正确性，并为发动机综合仿真研究提供较为准确的边界信息， 同时，也为曲轴轴系的性能分析、优化设计提供有价值的参考。 最后，简要讨论了进一步工作的研究方向。 关键词：发动机，曲轴轴系，动力学，扭转振动，仿真 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ec r a n k s h a f ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fe n g i n e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fr e l i a b i l i t ya n dp o w e rp e r f o r m a n c eo fe n g i n e s ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o n o ft h ec r a n k s h a f ts y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r er i g o r o u s a n dt h es t r e n g t h ， v i b r a t i o na n dn o i s ed e s i g no ft h ec r a n k s h a f ts h o w sm o r ei m p o n a n c ea n di ti st h ek e y p o i n ta n dd i f f i c u l t yo ft h ee n g i n ed e s i g n t h et r a d i t i o n a ld e s i g na n da n a l y z em e t h o d s a r es os i m p l yt h a tt h e yc a nn o tb es a t i s f i e dw i t ht h ea c t u a ld e m a n d s t h ea p p l i c a t i o n o fa d v a n c es i m u l a t i o nt e c h n o l o g ym a k e s a n a l y s i so fc r a n k s h a f tb e i n gm o r ep r e c i s e u s i n gp r o es o f t w a r e ，3 dm o d e l so ft h ec r a n k s h a f ts y s t e ma r eb u i l ta n dp a r t so f t h em e c h a n i s ma r ea s s e m b l e dt oc r a n k s h a f ts y s t e mw i t hd o w nt ot o pm e t h o d ，t h e nt h e m o d e lm a s sp r o p e r t i e sa n dt h em o d e lm a t e r i a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e du s i n gm o d e l a n a l y s i sf u n c t i o n u s i n gm a t l a b ，t h ec a l c u l a t i o np r o g r a mi sw o r k e do u tt oc a l c u l a t e t h et o r t i o n a lv i b r a t i o n ，a n dh o l z e rt h e o r yi su s e df o rf r e ev i b r a t i o na n dp r i n c i p l eo f c o n s e r v a t i o no fe n e r g yf o rf o r c e dv i b r a t i o n u s i n gg t c r a n k ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f d y n a m i ca n dt o r t i o n a lv i b r a t i o na r ea n a l y z e d c a l c u l a t i o nf o rm a t c h i n gr u b b e rd a m p e rf o rt h e613 5e n g i n ei sd o n eu s i n gt h e m a t l a bp r o g r a m w i t ht h en e wr u b b e rd a m p e qt h ep e r f o r m a n c eo fv i b r a t i o nr e d u c t i o n b e h a v e sw e l l t h er e s o n a n c ea m p l i t u d eo nt h ef r e ee n do fc r a n k s h a f ta n dt o r s i o n a l v i b r a t i o ns t r e s so nt h es h a f ts e c t i o na r eb e l o wa l l o w a b l ev a l u e s ，w h i c hi n s u r i n gs a f e t y a n dr e l i a b i l i t yo fe n g i n eo p e r a t i o n c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n sw i t ht h ec o r r e l a t i v er e s e a r c h s h o wg o o da g r e e m e n t t h ea nr e s u l t s ，s u c ha sm a i nb e a r i n gf o r c e s ，t h en a t u r a l f r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s ，n o to n l ys h o wt h a tt h es i m u l a t i o ni sv e r yu s e f u lw h e n t o r t i o n a lv i b r a t i o na n dd y n a m i c sa n a l y s i sa r en e e d e df o rt h ec r a n ks y s t e m ，b u ta l s o o f f e rr e f e r e n c ef o rt h e c r a n k s h a f to p t i m u md e s i g na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i s i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：e n g i n e ，c r a n k s h a f ts y s t e m ，d y n a m i c s ，t o r s i o n a lv i b r a t i o n ，s i m u l a t i o n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e i j ) 昂l j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 曲轴是发动机中最主要的运动部件之一。由于其承受着气缸内气体作用力、 往复运动质量和惯性力引起的周期性变化的载荷，并对外输出扭矩，曲轴内部 产生交变的弯曲和扭转应力，引起各种失效。近年来随着对发动机动力性和可 靠性的要求不断提高，曲轴的工作条件愈加苛刻，曲轴强度、振动等问题变得 更加重要。 发动机在其运转转速范围，往往可能碰到高次临界转速，此时曲轴自由端 会产生较大的扭振共振振幅。共振振幅过大不仅会对曲轴的强度产生影响，而 且将引起轴系各相关运动件工作恶化，甚至造成破坏，更会引起整机噪声的增 加。近十年来，在内燃机产品设计与研究上提出了n v h 概念( 即振动、噪声、行 驶平顺性) ，而这三者中振动是基础1 1 , 2 , 3 , 4 】。是否具有良好的n v h 性能将是决定发 动机能否被市场接受的重要条件，而曲轴的扭转振动是整机激励源中最重要的 因素之一1 5 j 。因此，有必要进行发动机轴系扭振特性的分析和研究，在此基础上 探讨扭振减振器的改进设计1 6 ，。7 1 。多年来，发动机轴系扭振及动力学问题的研究也 一直是人们为减振、降噪、提高发动机工作可靠性等而不懈努力的一个研究方 向。 某企业的6 1 3 5 柴油机在其运转范围内，由于受高次临界转速影响，在曲轴自 由端产生较大的扭振共振振幅。经测定，在安装原减振器时其6 次共振振幅仍高 达0 2 2 0 。，这不仅会对曲轴的强度带来影响，而且将引起轴系上相关构件工作 条件恶化、整机噪声增加，甚至造成破坏。因此必须对该6 1 3 5 柴油机的扭振减 振器进行重新设计计算，并进行动力学和扭振振动特性的分析和研究。 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状、发展动态 1 2 1 国内外扭转振动研究现状、发展动态 扭转振动的基本理论远在牛顿时代就已经奠定，到目前为止，众多学者对 扭转振动理论做了大量工作。这期间随着内燃机的广泛应用人们对曲轴轴系的 振动控制要求越来越严格。 从已有的研究看【8 , 9 , 1 0 】，用作曲轴轴系扭振计算的模型可分为两大类：一类是 轴系质量经离散化后集总到许多集中点的集总参数模型，另一类是轴系质量沿 轴线连续分布的分布参数模型。已有的曲轴扭振计算方法不断得到完善。h o l z e r 法是轴系扭振计算的经典方法，该方法在设计初期用来估算低阶扭振固有频率 时较为有效，算法简单、使用方便，在工程实际中被广泛应用；传递矩阵法因计 算方便快速；有限元法因计算精度高而受人青睐；弹性波传播法兼具有限元法 和传递矩阵法两种方法的特点，开始被引入曲轴振动计算。扭振测量是曲轴振动 研究的一项重要内容。扭振测量技术随着传感器技术、电子技术的发展，已从机 械式测量、模拟式测量发展到数字化测量，测量的精度也越来越高。目前非接触 式扭振测量已成为扭振测量的主要手段。 最初的曲轴扭转振动研究中，主要目的是为了计算曲轴的最大扭转位移，预 测出最大扭转应力以满足可靠性的要求。近年来，在内燃机产品设计与研究上提 出了n v h 概念( 即振动、噪声、行驶平顺性) ，这三者中振动是基础。众所周知， 曲轴的扭转振动是整机激励源中最重要的因素之一，准确地预测曲轴的扭转振 动是当前一个很重要的研究方向。 1 2 2 国内外发动机动力学研究现状、发展动态 目前国内外对内燃机工作机构的动力学分析方法很纠1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 】，而且己经比 较完善和成熟。传统的内燃机工作机构动力学分析方法主要有图解法、解析法 和复数向量法。传统的曲柄连杆机构的动力学分析都是建立在静力学等效原则 的基础上对各构件进行运动分析，计算出各自产生的旋转惯性力和往复惯性力， 与气体爆发压力合成后求解出对机体的作用力以及曲轴系振动的激振力，这不 仅是一个十分繁琐的过程，而且由于曲柄连杆机构的受力情况非常复杂，成功 率很低，一旦出错，错误也很难查找。重新计算会造成很大的时间精力浪费和 2 第1 章绪论 拖延产品开发或调试周期。总之，传统的方法必然导致设计效率较低、开发周 期较长、市场竞争力差等弊端，而且，计算过程中由于对机构进行了简化，其 计算结果一定存在误差。这也会对产品设计造成一定的影响，从而影响产品的 运行品质、可靠性、使用寿命等各个方面。 通过对机构动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、 运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于 手段的原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出 供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来，随着 计算机软硬件技术的发展，可以利用复杂的计算机表达式来精确求解各种运动 过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论、方法和工 具。现代设计理论、方法和工具是动态发展的，从狭义来说是为设计而建立的 各种数学模型及求解这些模型的技术。它在内燃机产品设计中应用的范围十分 广泛，主要有计算机辅助三维数值模型、有限元分析技术、使用多体系统动力 学的虚拟样机技术和燃烧过程数值模拟技术等【4 1 。 随着计算机技术的迅速发展，各种有限元软件( 如n a s t 凡、a n s y s 、 a b a q u s 和c o s m o s ) 、机械系统动力学分析软件( a d a m s 、w o r k i n gm o d e l 3 d 和d a d s 等) 的相继诞生和日趋完善采用有限元方法、虚拟样机技术分析曲轴的 强度、刚度、应力状况及多体系统动力学的工作增多【4 , 1 3 , 1 4 , 1 7 ，然而模型的准确性、 计算精度的可比性、计算成本都还没有得到十分有效的解决，因此传统的动力学 分析方法仍然广为应用。 1 3 课题的主要研究内容和意义 1 3 1 本课题主要研究的内容 本课题主要运用理论分析、计算机模拟和试验验证相结合的方法，对6 1 3 5 柴油机曲柄连杆机构进行动力学和扭振研究，其主要研究内容有： 1 使用p r o e 软件建立6 1 3 5 柴油机曲轴轴系所有零件的三维实体模型、完 成自底向上的虚拟装配，同时利用p r o e 的模型分析功能确定了所建立实体模型 的材料特征参数和质量特征参数，并实现了该曲轴轴系运动过程的三维动画； 2 进行发动机曲柄连杆机构的动力学理论分析，为进一步的研究奠定基础； 3 第1 章绪论 3 进行发动机曲轴轴系的扭转振动理论分析，建立6 1 3 5 发动机曲轴的离散 型当量系统模型，计算当量扭振系统各集中质量转动惯量和各轴段柔度，无减 振器当量扭振系统自由振动计算，无减振器的曲轴轴系扭振振幅和扭振应力计 算，柴油机橡胶减振器的匹配计算； 4 使用m a t l a b 编制实现霍尔茨算法的程序； 5 曲轴动力学及扭转振动仿真分析：使用g t - c r a n k 模拟计算，仿真得到该 6 1 3 5 柴油机轴系的动力学、扭转振动特性，得出曲柄连杆机构的活塞、连杆的 位移、速度、加速度曲线图及各关键构件受力、力矩曲线图，得出该6 1 3 5 柴油 机的固有频率、振型曲线、曲轴自由端的扭转振幅和剪切应力等曲线，并将结 果与相关分析结果进行对比分析和研究，检验6 1 3 5 柴油机曲轴轴系动力学和扭 振分析的合理性。 1 3 2 本课题研究目的、理论意义和实际应用价值 本课题应用霍尔茨表格法设计扭振计算程序并在此基础上对6 1 3 5 发动机曲 轴轴系当量扭振系统进行计算，在不改变改变曲轴结构的前提下解决了某企业 6 1 3 5 柴油机扭振振幅过大的难题，对今后进行同类研究具有参考价值。此外， 采用g t c r a n k 软件进行动力学仿真计算和分析，并通过与相关数据的比较，将 为曲轴轴系研究提供_ 种高质量、高效率的仿真模拟方法，将具示范意义。 4 第2 章柴油机轴系的建模机模犁参数分析 第2 章柴油机轴系的建模及模型参数分析 2 1g a d 三维建模 2 1 1c a d 三维建模技术 建模技术是c a d 的核心技术，建模技术的研究、发展和应用就代表了c a d 技术的研究、发展和应用。三维c a d 建模技术主要有三种理论，即实体造型技 术、参数化造型技术和特征造型技术。早期实体造型属于无约束自由造型，后来 向基于约束的实体造型发展，产生了参数造型理论。参数化造型技术分为全约束 与非全约束，其代表是p r o e 和i - d e a s 。特征造型理论多是参数化造型理论的深 化与拓展。特征面向加工制造，对产品信息的表达较为完善。 1 参数化造型技术 参数化设计【1 8 j 是指参数化建模的尺寸用对应的关系式表示，而不需要用确定 的数值，变化一个参数，将自动改变所有与它相关的尺寸，也就是参数化模型是 通过调整参数来修改和控制集合形状，自动实现产品的精确造型。要实现参数化 设计，必须建立参数化模型。对于几何参数模型而言，主要有两个内容：几何关 系和拓扑关系。几何关系是指既有几何意义的点、线、面有确定的位置和大小。 拓扑关系反映了形体的特性和关系，如几何元素之间的邻接关系。参数化设计技 术与其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能。 2 特征造型技术 基于特征的建模是将特征作为产品上既有一定语义信息、能完成某一定特定 功能的一组几何实体来构造零件，它不仅既有一定的几何形状，还包含相应的功 能信息与工程知识( 如螺纹孔，实际上表达了它的功能及加工方法) 。 特征模型与几何建模相比有如下特点：特征建模用于产品的概念设计，而 几何建模困难；特征建模能全面表达产品的几何信息和非几何信息，用户可以 查询这些关系，并能为后续的应用提供所需要的产品信息，而几何建模只能表达 产品的几何信息；特征建模能说明特征问的关系，用户可以查询这些关系，并 能为后续的应用提供所需要的产品信息，而几何建模却很难做到；特征建模对 产品的设计可全部参数化，构造产品零件时，可以进行创造性的设计，同事对设 5 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 计修改方便，为用户提供良好的设计环境，而几何建模很难提供这种环境。 2 1 2p r o e 软件 1 p r o e n g i n e e r 软件简介 p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) 是由美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n 简称p t c ) 设计开发的大型c a d c a m 软件。广泛应用于机械、模 具、电子、航空、航天、邮电、兵工和纺织等行业【1 9 , 2 0 , 2 1 1 。 p r o e n g i n e e r 是多项技术的集成产品，它的内容涵盖了零件设计、工业造型 设计、三维模型设计、模具开发、n c 加工、钣金设计、铸造设计、逆向工程、 分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出、产品数据管理等功能。 p r o e n g i n e e r 突出的特点是系统采用全参数化的设计，在软件环境下建立的 零件活组件模型等的形状和位置等尺寸都可以用参数符号来代替，在需要的时候 只要输入相应的值，就可以重新生成相应的产品，参数化方便了产品的设计和修 改。另外，它采用了基于特征的建模技术，产品可以分解为特征的集合。 p r o e n g i n e e r 利用特征运算的方法，可以将独立的特征以一定的关系组合成产品。 同时，p r o e n g i n e e r 还设计了与其他大型c a d c a m 软件的接口，如i g e s 、s t e p 等接口标准，而且操作简单，只需要将p r o e n g i n e e r 环境下的模型文件保存为上 述格式的文件即可，同样，来自其他的c a d c a m 软件的上述格式的文件也可 以在p r o e n g i n e e r 环境中运行。 2 p r o e n gin e e r 软件建模【2 0 2 1 j p r o e n g i n e e r 是一个以特征为主的实体模型系统。用户可以利用软件所给的 各种建模特征，设计自己所需要的三维模型。 ( 1 ) 立体雏形特征的构建 立体特征的构建方式有拉仲( e x t r u d e ) 、旋转( r e v o l v e ) 、扫描( s w e e p ) 和混合 ( b l e n d ) 等。每一种方法都可以用过材料填充、切削、抽壳等功能实现具体实体特 征的构建。 ( 2 ) 曲面特征的建立 可以利用变截面扫描( v a r s e cs w p ) 、混合扫描( s w e p tb l e n d ) 、螺旋扫描 ( h e l i c e ss w p ) 等命令菜单来实现，主要用来完成截剖面实时变化、不能用拉伸、 旋转、扫描、混合等方法实现的复杂、高级曲面的造型。 6 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 ( 3 ) 设计特征的建立 设计特征是指孔、槽、加强筋建立在立体雏形之上的加工特征，分为规则特 征和不规则特征两种类型。 实际建模过程中，单个用以上的步骤是无法实现的，需要多步骤交叉使用， 而且还要用到诸如；c o p y 、p a t t e r n 、g r o u ps e ct o o l s 、g e o mt o o l s 、m i r r o r 、m e r g e 等命令来帮助实现几何特征的构建，用r e g e n e r a t e 、m o d i f y 、d e l e t e 等来生成、 修改、删除、编辑特征，对于有父子关系的特征可以用i n f or e d e f i n e 及模型树 m o d e lt r e e 进行查询、修改、重新定义、删除等操作。 p r o e n g i n e e r 软件不仅可以进行三维建模，还可以利用模型分析功能对模型 的物理属性进行计算分析。计算的零件或组件质量属性包括：体积，模型的总体 积、曲面面积、模型的总曲面面积密度，对于零件质量属性，在此列出指定的零 件密度。对于组件质量属性，将列出其元件的平均密度。平均密度用棕质量除以 总体积来计算：平均密度= ( 组件总质量) ( 组件总体积) 每一个零件的密度应用于 质量数性的计算。质量一模型的总质量重心，关于指定坐标系的重力中心位置等 等。在模式上图形显示重心和坐标系对指定坐标系在原点沿轴的惯性张量。 2 26 1 3 5 柴油机曲轴轴系的三维建模及虚拟装配 6 1 3 5 柴油机曲柄连杆机构有活塞组、连杆组和曲轴组等三大部件组成。其中 活塞组包括活塞、活塞销、活塞坏、挡圈等零件；零件组包括连杆体、连杆衬套、 连杆轴瓦、连杆螺栓、连杆盖、套筒等；由于该6 1 3 5 柴油机使用的是组合式曲 轴，曲轴飞轮组零部件包含的零件较多，包括前轴、皮带轮、曲拐、曲拐螺栓、 后轴、飞轮螺钉和飞轮等，其中曲拐如图2 1 示。 完成了曲柄连杆机构所有零件的三维实体造型，只是完成了产品结构设计工 作的一个部分。各个零件的结构造型是否合理，是否能够满足装配要求，是否能 够顺利地组装，都还需要通过装配设计步骤地检验，装配建模的设计方法真是基 于这种要求而进行的。 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ) 1 1 9 ，2 2 1 是在计算机上建立曲柄连杆机构的装配模 型，即将不同的零部件组装成一个装配体，对这一数字化的虚拟装配模型，通过 分析、简化、数据表示以及可视化的技术手段，帮助设计者进行装配关系的工程 决策。其基本功能是： 1 定义不用零件之i 、日j 相对位置的约束关系； 7 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 幽21 曲拐三维模掣 2 生产爆炸视图； 3 通过零件之间的动、静态于涉检查发现零部件设计上不台理的结构部 分，以改进设计。 虚拟装配技术的应用，使产品在设计阶段能够随时地对零部件进行可制造 性、可装配性的检验，保证了设计质量，避免了隐藏的装配冲突性失误从而缩 短了产品丌笈周期减低了产品设计成本提高r 设计质量和设计效率。 2 3 1 装配方式 对于一个零部什较多的产品来说，可能会分解成很多小装配体和零件为了 快速准确的装配完成的产品就需要设计适当的装配方法和装配步骤。 虚拟装配设计一般有两种装配方式：自顶向下( t o pt od o w n ) 和自底向上 ( d o w n t o t o p ) 的设计方式。自顶向下的设计是在装配环境f 进行零部件的设计； 而自底向上的设计则是指采用已经设计好的零件进行不见和整体的装配。根据曲 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 柄连杆机构的实际情况，采用自底向上的装配设计方式。本文曲柄连杆机构的装 配模型树如图2 2 所示。 图2 2 曲柄连杆机构虚拟装配模型树 2 3 2 模型装配 依据曲柄连杆机构虚拟装配模型树，可以进行模型的虚拟装配。p r o e 中装 配的实质是给零件和零件、部件之间添加约束。在装配模式下，可以对待装配零 件、部件的点、线、面施加匹配、对齐、插入、平行定向和相切等几种约束。当 9 第2 章柴油机轴系的建模机模犁参数分析 然还可以使用平移、旋转工具辅助装配操作。所有零部件和子装配完成后，就完 成了曲柄连杆季后的虚拟装配。图2 3 、图2 4 、图2 5 、图2 6 分别为活塞组 子装配图、曲轴飞轮组子装配图、连杆组子装配图和总装配图。 2 3 3 装配体的检查 装配完成的三维模型，需要进行间隙检查、干涉分析和质量检查，以确保装 配体的各零部件以及子组件之间的间隙适当，避免各零部件之间的动、静态干涉 i l6 矧。分析装配体中各部件之间是否存在动、静态干涉现象，及时发现可能存在 的干涉，并进行相应的调整，以保证虚拟装配模型的可行性。利用“全局干涉 分析，可以检查整个虚拟装配体中各零部件之间的干涉结果。经过全局干涉检查 证明，本文所建立的装配模型各零部件之间，不存在动、静干涉。 2 4 模型质量特征参数的确定 2 4 1 三维实体模型质量特征参数的计算 刚体质量特征参数包括质心的位置、质量和转动惯量。其中缸体的转动惯量 用转动惯量矩阵来描述： i i 烘 l iq i 眄 i 黟 i 皖 i 够z i2 矩阵中的k 、厶分别为刚体绕质心且与所定义的刚体固连坐标系的坐标 轴方向一致的坐标中x 、y 、z 轴的转动惯量。 ，。2r ( y 2 + z 2 ) d m ( 2 1 ) ，= r ( x 2 + z 2 ) d m ( 2 2 ) 乞= r ( x 2 + y 2 ) d m ( 2 3 ) k 、，、厶分别为刚体对通过质心且与所定义的刚体固连坐标系各坐标轴方 向一致的坐标系中x y 、y z 和x z 平面的惯性积。 lq = 一f x y d m i ，z = 一f y z d m f 。= 一f x z d m 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第2 章柴油机轴系的建模机模耐参数分析 参、 t y 幽23 活塞组鼗配酗 脚24 曲轴e 轮纽装配幽 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 幽25 吐_ | _ _ = 纽般配h 川体转动惯量矩阵各元素一叮通过实验测试和理论计算的方法确定。用实验测 试的方法水仪繁琐，而且经常受到条件的限制。j h 理论| 十算的方法，对于形状比 较规则的刚体比较简单对十形状不规则的川体汁算过程非常复杂，要川积分的 近似计算方法柬计算。p r o e 分析模块i f l 的质量特性范西功能为刚体质量特性参 数确定提供了简便有效的方法。对于所建立的二维实体模型， 需定义材料墉性 或材料拼艘，调片j 质量特性分析模块即- 得到包括转动碳量矩阡在内的刚件质量 特性参数。 在用p r o e 分析模块计算曲柄连牛t 机构各组成零件的质量特性参数时，先确 定零件的材料在材料密度范围内选墩适当的值输入所对应的实体模型中，即可 汁斡卧稃零件的质量特件参数。为了保i i e j l 算结果的准确u j 靠，对f p r o e 计算 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 得到的零件质量和实测得到的零件质量进行比较，若两者相差较大，需对材料密 度进行调整，直到其误差在允许范围内。表21 给出了曲柄连杆机构各组成零件 的材料、输入密度值、计算质量和实测质量，从表中可匕i 看出计算质量与实测质 量的误差比较小。 图26 总装配图 为了计算活塞组、连杆组合曲轴的质量特性参数，除了正确的定义各组件所 有组成零件的材料密度外，还须定义各组件的固连坐标系。图2 1 、图23 、图 25 分别给出了活塞组、连杆组合曲柄组的同连坐标系。活塞组固连坐标系的圆 点位于活塞销孔的中心位置，x 轴垂直纸面向外，y 轴与活塞销的轴线方向垂直， 正向背离活塞顶部凹坑，z 轴与活塞销的轴线平行正向向右；连杆组的固连坐 标系建立在连杆小头中心，x 轴与连杆衬套轴线方向垂直，y 轴正向指向连杆大 头巾心，z 轴方向沿连杆衬套轴线方向：曲轴尉连坐标系的坐标原点位于曲柄销 中心x 轴垂直纸面向外，y 轴诈向指向主轴承巾心z 轴沿曲柄销轴线方向， f 向向右。 表22 给出了用p r o e 质量特征参数分析模块计算得到的6 1 3 5 柴油机活塞 纰、连杆组和单曲拐的质量特征参数。 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 表2 1 曲柄连杆机构主要零件的质量参数 序号零件名称材料密度质最实测质量相对误差 k g m m 3k gk g ( ) 1 活塞 z l l 0 8 2 5 5 1 0 。6 3 2 9 63 2 5 61 2 2 活塞销 2 0 c r 7 1 1 0 6 0 9 4 40 9 2 61 9 3 气环铜烙钿合金7 2 0 1 0 6 0 1 0 30 1 0 12 o 4 油环 铜烙钿合金 7 2 0 1 0 。6 0 0 9 00 0 8 82 2 5 譬环 6 5 m n 7 8 9 1 0 6 0 0 0 7 2o 0 0 7 02 9 6 连杆轴瓦高锡铝合金 6 8 9 1 0 。6 0 1 5 90 1 5 80 3 5 7 连杆衬套 z q s n 6 - 6 - 37 1 5 1 0 。6 0 1 1 10 1 0 9o 2 8 连杆螺栓 4 0 c r 8 2 1 0 。6 0 1 5 70 1 5 6o 9 9 连杆体 q t 7 0 07 0 1 1 0 64 6 3 5 4 5 7 71 2 5 1 0 连杆盖 q t 7 0 06 9 8 1 0 。6 1 4 8 01 4 6 31 1 4 1 l 前轴q t 7 0 027 1 1 0 。6 9 9 0 29 8 5 20 5 1 2 曲拐 q t 7 0 027 0 5 1 0 6 1 1 7 4 11 1 5 0 12 1 1 3 后轴 q t 6 0 037 2 1 0 。6 1 0 1 5 0 1 0 0 5 5 0 9 1 4 皮带轮 h t 2 5 0 5 6 1 0 。6 4 1 8 94 1 5 80 7 4 1 5 飞轮 h t 2 5 0 7 2 5 1 0 6 9 6 6 2 09 7 0 1 00 4 1 6 启动齿幽 4 0 c r7 2 1 0 6 1 2 1 4 01 2 2 9 1 1 2 1 7 飞轮螺栓 4 0 c r 8 2 1 0 6 0 2 2 70 2 2 50 8 1 8 曲拐螺钉 4 0 c r 8 2 1 0 。6 0 1 9 10 1 9 20 5 1 9 曲拐螺母 4 0 c r 8 2 1 0 。6 0 0 3 5 20 0 3 5 50 8 2 0 k 曲拐螺钉 4 0 c r 8 2 1 0 60 4 8 6 0 4 8 40 4 表2 2 曲柄连杆机构质量特征参数 活塞组连杆组巾曲拐 质最( k g ) 4 5 36 8 61 2 0 8 质心坐标( m m l( 0 4 2 ，- 3 0 0 1 ，0 5 3 ) ( 0 2 1 ，1 9 9 3 4 ，0 0 1 )( 0 0 ，3 5 6 3 ，一0 2 6 ) i x x 1 4 9 1 0 49 4 2 1 0 46 7 7 1 0 4 转 l 碍 1 2 3 1 0 22 1 5 1 0 20 0 动 i 诧 6 4 30 1 30 0 惯 取 i 1 1 6 1 0 41 1 5 1 0 45 7 2 1 0 4 k g m m 2i y z 1 6 0 1 0 2 3 5 86 4 5 6 i z z 1 4 5 1 0 41 0 1 1 0 54 6 8 1 0 4 2 4 2 三维实体模型质量特征参数计算结果的检验 为了检验p r o e 计算得到的质量特性参数与实际是否一致，对所建立的曲柄 连杆机构的连杆组质心和转动惯量为例，对计算结果进行了测试检验。 1 4 第2 章柴油机轴系的建模机模型参数分析 1 连杆质心的测定 由该柴油机厂用称重法测定的连杆组的重量为6 6 5 k g ，连杆小头重量为 1 7 8 k g ，连杆长度l 为2 8 0 m m ，则连杆质心到连杆小头的距离l a 为： l a = 2 8 0 ( 6 6 5 1 7 8 ) 6 6 5 = 2 0 4 0 2 4 m m( 2 7 ) 由表2 2 可知计算得到连杆质心到连杆小头中心的距离l a 为1 9 9 3 4 m m ，则 计算所得质心位置与实测质心价置的相对误差为： a = ( l a l a ) l ax1 0 0 = 2 3 6 2 连杆绕质心转动惯量的测定 由该柴油机厂用复摆法测定实验测得连杆绕质心转动惯量为厶= 9 8 7 5 1 0 4 k g m m 2 。计算所得的连杆绕质心的转动惯量与实验测得的转动惯量的相对误差 为： = ( k 也) ，c 10 0 = 2 2 8 测试结果表明，用p r o e 分析计算功能所得的质量特性参数与实验测试结果 具有很好的一致性，可直接将p r o e 计算得到的刚体质量特性参数用于曲柄连杆 机构动力学模拟仿真中。 2 6 本章小结 应用p r o e 软件建立6 1 3 5 柴油机曲轴轴系所有零件的三维实体模型、完成 自底向上的虚拟装配，同时利用p r o e 的模型分析功能确定了所建立实体模型的 材料特征参数和质量特征参数，并实现了该曲轴轴系运动过程的三维动画。同时， 经计算验证，可直接将p r o e 计算得到的刚体质量特性参数用于曲柄连杆机构动 力学模拟仿真中。 1 5 第3 章柴油机曲轴轴系动力学 第3 章柴油机曲轴轴系动力学 本章运用力学的基本理论进行单缸内燃机曲柄连杆机构的运动学、动力学分 析与计算，为课题的研究奠定理论基础。 3 1 曲柄连杆机构运动学分析1 2 4 , 2 5 1 以中心式曲柄连杆机构为例进行分析，如图3 1 所示。 图3 1 曲柄连杆机构结构简图 图中： 卜一连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离； r 一曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离； a - - 曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度； 8 一连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度； 一曲轴转角速度； x 一活塞位移，指活塞由上止点开始向下止点运动的距离，上、下止点分别 指活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的位置。 活塞在气体压力的作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲轴的 1 6 第3 章柴油机曲轴轴系动力学 旋转运动。对曲柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为曲轴作 匀速旋转运动，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角a 的函数。 活塞位移x x = ( r + 1 ) 一( r c o s a + l c o s l 3 ) ( 3 1 ) 式中，b = a r c s i n ( l s i n a ) ，其中九为连杆比川。 活塞速度v v = r c o s i n ( a + b ) c o s b 】 活塞加速度a a - r t 0 2 【c o s ( a + b ) c o s b + m c o s 2 a c o s 3 b ) 】 式中，c o s l 3 可按牛顿二项式定理展开成如下级数： c o s g = l - ( 1 2 ) 2s i n 2a - ( 1 8 ) a 4s i n 4 口一( 1 1 6 ) z 6s i n 6 口- 在实际计算中，为简便起见一般只取前两项， c o s b 。1 - ( 1 2 ) a 2s i n 2 口 a = a a a 1 + a 2 1 + 式中，a ，= r i 0 2c o s 口，称为活塞的一级加速度； a ，= r a t 0 2c o s 2 口，称为活塞的二级加速度。 连杆的角速度纰 c o s 口c o s a 1 c o s f l ( 1 一a 2s i n 2 口1 托 连杆的角加速度 e l = - f 0 2 x ( i - a 2 ) 嵩一2 而x ( 1 - a 2 ) s i n a ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 3 2 曲柄连杆机构动力学分析 曲柄连杆机构动力学分析是柴油机结构设计的基础，它是分析曲柄连杆机构 中力的作用情况，并从中找出影响柴油机曲轴的输出扭矩、曲轴旋转的均匀程度 和动力不平衡的根本原因，从而确定改善柴油机动力性能的措施动力学分析还为 柴油机主要零件的强度、刚度、磨损、振动和轴承负荷等计算提供必要的数据1 2 6 。 运转中的柴油机，其曲柄连杆机构中作用着气体对活塞的压力、往复或旋转 运动质量的自重和惯性力、外部负荷对柴油机的反作用力、运动副间的摩擦阻力 1 7 第3 章柴油机曲轴轴系动力学 等。在动力学分析中，一般将各运动部件的自重和运动副之间的摩擦阻力忽略不 计，主要分析气体爆发压力和惯性力在曲柄连杆机构中的作用情况。活塞组件往 复惯性力p 的方向沿气缸中心线且与活塞加速度方向相反。 p = m a ( 3 9 ) 式中，m t _ 一活塞组的质量。 连杆的运动为随活塞平移的牵连运动和绕活塞销转动的相对运动的复合【2 7 1 ， 这两种运动都是变速运动，因此连杆的惯性力有四种，如图3 2 示。 图3 2 连杆惯性力 1 连杆组随活塞作往复运动而产生的往复惯性力r ，其方向平行于气缸中 心线，且与活塞加速度方向相反。 e c l - - m 。a ( 3 1 0 ) 式中，m 一连杆组的质量。 2 连杆组绕活塞销中心转动的向心加速度而产生的离心惯性力l ，它通过 连杆组质心c 且总顺着由连杆小头中心a 到质心c 的离心方向。 p 。2 = - m c l a w f 一咄砌2 彘 式中，厶一连杆小头中心到连杆质心的距离。 3 连杆组绕活塞销中心转动的切相加速度产生的惯性力p 。3 ， 质心且垂直于连杆轴线。 1 8 ( 3 1 1 ) 它作用于连杆 第3 章柴油机曲轴轴系动力学 气= 叱l f 型磐粤 n a 2s i n 2 a ) 2 4 连杆变速旋转的角加速度产生的惯性力矩m 。 m 。= 一，cf ，c 翼萼 ( 1 一a s i n 口) 2 式中：t 连杆组绕其质心的转动惯量。 曲轴离心惯性力p a 的方向始终沿着曲柄半径而背离旋转中心。 p q - 一m g 名2 式中：聊。曲轴的质量； 乞一曲轴的质心到曲轴旋转中心的距离。 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 3 3 简化后的机构受力分析 由以上分析可以看出，曲柄连杆机构的惯性力分析，特别是连杆惯性力的计 算非常繁琐，在以往的理论设计和计算中往往加以简化，即用几个适当配置的集 中质量来代替分布的质量，曲柄连