运用ADAMS进行发动机曲轴系的动力学分析

1、运用ADAMS进行发动机曲轴系的动力学分析覃文洁 廖日东北京理工大学车辆与交通工程学院 北京 100081摘 要：往复活塞式内燃机的曲轴及连于其上的活塞、连杆、飞轮等各构件的运动、受力及扭转振动是其动力学分析的主要内容。本文讨论了运用多体系统动力学分析软件ADAMS进行发动机曲轴系建模和分析的方法，结合有限元分析软件ANSYS建立了某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多体系统动力学模型，并对其平衡特性和曲轴的扭振响应进行了分析。关键词：曲轴系，ADAMS，多体系统动力学1. 引言往复活塞式内燃机的曲轴系是由曲轴及连于其上的活塞、连杆、飞轮等构件组成的，其动力学分析主要包括各构件的运动与受力分析、发动

2、机的平衡性分析以及曲轴系的扭振分析等内容。作用于系统上的力来自两个方面，一是气缸内的气体爆发压力，二是运动质量产生的惯性力，它们会对机体产生作用力和力矩。由于这些力和力矩是不可能完全平衡的，就会造成发动机及其支架的振动，导致紧固件松动，个别零件过载损坏，噪音增大，车辆乘员疲劳等不良后果。因此有必要在发动机设计阶段进行平衡性分析和曲轴系的振动分析，为设计选型和具体的结构设计提供依据。传统的分析方法是在对各构件进行运动分析的基础上，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，这是一个十分繁琐的过程。运用机械系统仿真软件ADAMS，通过建立

3、包括活塞、连杆、曲轴、飞轮在内的整个曲轴系的多体系统动力学模型，不仅可以计算出各构件的运动规律和构件间的作用力，还可以进一步进行平衡性分析和振动分析。本文针对某型车辆的V型六缸发动机的曲轴系，在ADAMS中建立其多体系统动力学模型，并进行了相应的动力学分析。2. 发动机曲轴系的建模方法根据分析的具体内容不同，发动机曲轴系可以建为不同的模型。对于平衡性分析而言，由于考虑的是运动构件惯性力的平衡，可采用多刚体系统模型计算，刚体的质量、质心位置及惯性矩可利用CAD软件（如Pro/E）建立其精确实体模型后分析得到。而要分析曲轴系的振动，则需要将曲轴建为柔性体。曲轴柔性体的建模也可以采用不同的方法。一种

4、方法是根据传统的将曲轴系简化为盘轴系统的思想，将曲轴划分为由自由端、曲柄段、主轴颈段和尾段等若干刚性段组成的系统，每段之间采用弹性联接，其刚度就是被连接两轴段之间的刚度，刚度值可运用有限元分析得到。另一种方法是采用相对描述的方法，将构件的运动分解为刚性整体的牵连运动和相对动参考系的变形运动两部分，其中变形运动采用模态向量及相应的模态坐标来描述，即1其中= 1 2 N 为模态向量矩阵，q= q（t）为模态坐标，N为模态向量数。模态分析可利用有限元分析软件来完成，通过生成模态中性文件（.mnf文件）可直接输入ADAMS建立柔性体模型。由此可以看出，发动机曲轴系的建模综合使用了CAD软件、有限元分析

5、软件和机械系统仿真软件，三者之间的数据传递关系如图1所示2：系统中各构件间的约束视分析的问题可采用理想约束，但在计算机体的支承力时应计及支承刚度，即采用弹性支承。作用于系统的外力主要是气体的爆发压力，该力是曲轴转角的函数，可根据示功图得出，沿气缸轴向施加于活塞顶部。图1 CAD软件、有限元分析软件和系统动力学分析软件的数据流3. 某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多体系统模型3.1 多刚体系统模型该模型可用于计算系统中各构件的运动规律及构件间的相互作用力，进行平衡性分析。图2就是某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多刚体系统模型，其中活塞、连杆、曲轴等构件的质量、质心位置及惯性矩是采用Pro/E软件建立

6、了相应零件的精确实体模型后分析得到的。图2 多刚体系统模型3.2 含曲轴柔性体的多体系统模型曲轴的柔性体是利用有限元分析软件ANSYS对曲轴建立有限元模型，并进行模态分析计算出曲轴的前20阶模态之后，产生一个模态中性文件（.mnf文件）输入ADAMS中建立的。在建立曲轴的有限元模型时，需要在主轴颈与机体以及曲柄销与连杆相连的位置设置结点，以便在该处施加约束。下图就是在ANSYS中建立的曲轴有限元模型：图3 曲轴的有限元模型其它零件在系统中的作用只是传递气体爆发压力和由于运动产生惯性力，建为刚体即可。将多刚体系统中的刚体曲轴换为柔性曲轴就得到多体系统模型，如下图所示：图4 含曲轴柔性体的多体系统

7、模型4. 分析结果4.1 发动机的平衡性分析采用多刚体系统模型，对曲轴施以速度为发动机额定转速的旋转运动激励，求得活塞、连杆、曲柄等运动质量产生的惯性力在曲轴尾端（飞轮端）主轴颈中点处沿Y、Z方向（X为曲轴轴向）的合力和合力矩如下图所示：图5 惯性力系在曲轴尾端主轴颈中点处的合力图6 惯性力系在曲轴尾端主轴颈中点处的合力矩由图6可以看出，该曲轴系的惯性力系在曲轴尾端主轴颈中点处的合力矩非常小，接近于零，可以认为该惯性力系是通过该点的一个力。4.2 曲轴的扭振分析往复活塞式发动机各缸的工作是周期性的，气缸内的气体压力和活塞、连杆等运动质量产生的惯性力传递到曲轴上，使曲轴承受着周期性交变载荷的作用

8、。这个载荷可以分解为切向力和径向力。切向力产生扭矩，带动发动机运转，不均匀的扭矩将引起曲轴的扭振。径向力将使曲轴发生弯曲变形，产生弯曲振动。由于曲轴弯曲振动的自振频率相当高，其共振转速比发动机常用转速高得多，因此在初步计算中可不予考虑。而扭振的自振频率一般较低，往往会落在发动机的常用转速范围内，对其工作造成危害，因此必须对其进行分析3。本文利用某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多体系统模型，计算得到发动机以其额定转速运行时自由端产生的扭转变形如下图所示：图7 曲轴自由端的扭转变形图 通过FFT变换后得到的频域响应如下图所示：图8 曲轴扭振响应的频域结果由图可以看出，由于该发动机的功率较大，曲轴的扭

9、振响应较为强烈，在设计应予以重视。5. 总结1. 结合CAD软件和有限元分析软件，运用ADAMS对发动机曲轴系进行多体系统动力学分析，不仅可以计算出各构件的运动规律和构件间的作用力，还可以进行平衡性、扭振等动力学分析；2. 发动机曲轴系的多体系统动力学分析根据其内容的不同,可以建立不同的模型。参考文献:1.陆佑方. 柔性多体系统动力学M. 北京: 高等教育出版社, 19962.丁能根，廉保续. CAE在汽车开发中的应用与实践. 计算机辅助设计与制造. 2000,63.余成波, 何怀波, 石晓辉. 内燃机振动控制及应用M. 北京:国防工业出版社, 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