多缸發動機曲軸系動力學仿真與分析

劉太全， 倪蓮波

（1.青島萬匯遮陽用品有限公司，山東 青島 266700；2.青島德盛機械制造有限公司，山東 青島 266700）

0 引言

曲軸系動力學分析是發動機曲軸系統設計與研究的重要內容，包括振動、強度、潤滑等特性。曲軸系是發動機中最重要且受載荷情況最為復雜的部分，對發動機的NVH(振動、噪聲、行駛平順性)性能有著重要影響［1-2］。隨著計算機技術的發展，借助計算機創建虛擬樣機進行設計和仿真來模擬曲軸的整個復雜運動過程，可以提高設計質量，節省時間和成本［3］。

ANSYS Workbench功能強大，能和多種CAD軟件融合，可以直接利用異構CAD系統的模型，還可建立與CAD系統靈活的雙向參數互動關系［4］。本文基于Pro/E建立了某V型十缸發動機參數化三維模型，通過Pro/E和ANSYS Workbench聯合仿真，對V型10缸發動機曲軸系進行動力學仿真，并計算和分析了活塞、曲軸、連桿等主要運動部件在既定工況下整周期的運動規律和力學特性。

1 動力學模型的建立

在Pro/E軟件中建立曲軸系各構件的三維實體模型，并根據它們的相互關系進行裝配，得到曲軸系的實體模型，再輸入零件材料的密度，可得到各零件質量、質心位置及轉動慣量等參數。將曲軸系三維實體模型導入ANSYS Workbench中，進行幾何模型的有限元模型處理和分析。該V型10缸發動機曲軸系統主要包括曲軸、連桿、活塞、飛輪等組件，根據各零部件之間的實際運動關系可分別將這些運動副轉化成相應約束。氣缸內氣體爆發壓力通過活塞、連桿驅動曲軸，在各缸活塞表面上施加氣體作用力，且方向與活塞運動方向平行，并施加驅動，即可獲得多剛體動力學模型［5-6］，曲軸系動力學模型如圖1所示。

2 動力學仿真與分析

假設曲軸轉速為n=2 500 r/min，按照發動機發火順序施加氣體作用力。在曲軸系動力學模型中，10個氣缸有一定相位關系，在施加缸內氣體壓力時，各缸活塞氣體壓力相位應根據各缸發火順序做相應的調整。該發動機的發火順序為 1→4→2→7→5→10→6→9→3→8，V 型夾角為72°，依次將氣體壓力沿氣缸軸向施加于活塞頂部，令曲軸按對應轉速轉動，模擬發動機的實際運行情況，對曲軸系進行多個工作周期的仿真。缸內氣體壓力示功圖如圖2所示。

圖1 10缸發動機曲軸系動力學仿真模型

圖2 氣體壓力示功圖

仿真周期為0.048 s時，活塞速度及加速度變化曲線分別如圖3和圖4所示。明顯可以看出轉速呈正弦曲線形式，上下波動很小，仿真結果與實際情況基本相符。一般情況下，缸數越多轉速越穩定，功率輸出越穩定，噪聲和振動越小。

圖5為發動機在標定工況下，動力學仿真得到的活塞7和活塞9對缸體的側向作用力絕對值結果。可以看出，活塞對第7缸和第9缸的側擊力基本一致，只存在相位差，當由壓縮行程轉化為做功行程時，缸內高壓燃氣瞬間爆炸做功，活塞受到巨大的沖擊力，其側壓力曲線出現尖峰值。且側壓力的作用點、作用方向和大小隨時間變化。由于活塞和缸套之間存在間隙，從而引起活塞由缸套一側向另外一側敲擊氣缸體，引起發動機機體的振動。

圖6所示為曲軸所受合力曲線，可以看出曲軸頸部所受載荷動態性很強，在工作周期內承受多次沖擊，工況復雜，分析該處的動態載荷對曲軸頸部的設計具有重要的指導意義。圖7所示曲線為銷軸2和銷軸9處動態載荷曲線，當某一缸點火做功時刻，該缸曲柄銷受力最大，且沖擊性大，因此要求連桿大頭及曲柄銷的強度、剛度、耐磨性較高。由圖6和圖7可以看出，曲軸工作時承受多種復雜的動態載荷。因此，在曲軸詳細設計時可以根據其動力學仿真分析結果來優化其剛度、強度與壽命設計等。

圖3 活塞1和活塞10的速度和加速度變化曲線

圖4 活塞1和活塞10的加速度變化曲線

圖5 活塞側壓力變化曲線

圖6 曲軸所受合力曲線

圖7 銷軸2和銷軸9處動態載荷曲線

3結語

基于Pro/E和ANSYS Workbench建立了某V型10缸發動機曲軸系動力學分析模型，進行了曲軸系剛體動力學仿真，詳細研究了活塞、曲軸和連桿等主要運動部件的運動規律及力學特性。分析了活塞對缸體的側向作用力、主軸承載荷等參數及其對整機振動及噪聲的影響。曲軸系的動力學仿真分析對于發動機的結構動態特性研究以及預測設計階段具有十分重要的意義。

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