缸間齒輪聯動液壓發動機連桿優化設計

高雷 張洪信 徐威 徐東

摘 要：缸間齒輪聯動液壓發動機（Gear-linked Cylinders Hydraulic Engine ，GCHE）是一種具有較好的綜合性能的新型液壓發動機。連桿作為發動機核心運動部件之一，必須對其進行優化設計。基于Isight軟件集成ANSYS進行連桿建模分析并優化。通過優化，GCHE連桿相對初始設計減少26.13%，滿足強度要求，結構更加合理。為缸間齒輪聯動液壓發動機曲柄連桿的有效設計提供了分析方法和依據。

關鍵詞：連桿；優化設計；Isight

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.061

0 引言

缸間齒輪聯動液壓發動機（GCHE）集成傳統往復活塞式內燃機和往復式柱塞泵的原理，利用缸間齒輪齒條機構完成運動和動力的傳遞，曲軸飛輪組在機體一側，實現活塞行程控制和附屬系統的驅動[1]。連桿作為發動機的核心主運動部件之一，必須對其進行結構優化設計，以達到最佳工作狀態。

1 連桿優化模型

GCHE連桿是以上柴D6114發動機連桿為參考，根據發動機性能要求作修改而成。為方便優化，減少計算量，對連桿結構進行簡化，并采用連桿1/2模型，其優化模型如圖1所示。

如圖1所示，連桿優化問題中設置了8個設計變量，x1為連桿大頭孔半徑；x2為連桿大頭厚度；x3為連桿小頭外圓半徑；x4為連桿大頭外圓半徑；x5為連桿小頭過渡圓半徑；x6為連桿大頭過渡圓半徑；x7為連桿桿身半寬度；x8為連桿桿身厚度。

因為由交變載荷的作用發生斷裂是連桿最主要的失效形式，所以，連桿在滿足輕質的同時，還必須要保證有足夠的強度。連稈還要滿足有一定的剛度，以避免由于連桿大小頭端過度變形而造成活塞和曲軸的劇烈磨損。同時，為了保證連桿能夠正常工作，還要對連桿的穩定性提出要求[2]。

綜上所述連桿優化模型為

式中，△Rmax（Xr）為連桿大頭最大變形約束函數，最大值為0.18mm； σmax（Xr）是連桿疲勞應力約束函數，最大值為2.78×108 Pa；σx（Xr）是連桿穩定應力（傳力方向的壓應力）約束函數，最大值為1.865×108 Pa；對各設計變量設置取值范圍；目標函數為連桿體積V（Xr）最小。

2 模型求解

在Isight軟件中搭建優化平臺如圖2所示，該優化模型由兩個模塊組成：Simcode通用組件與優化組件。Isight軟件中Simcode組件可集成目前各學科領域的大多數軟件，此處用來集成ANSYS軟件，在ANSYS里進行連桿的參數建模并分析，將設計變量、輸出響應映射到Isight中。優化組件用來選擇優化算法、設置設計變量、約束函數與目標函數等。連桿優化選用梯度優化算法中的序列二次規劃NLPQL算法。

經過80次迭代優化，最終滿足約束條件的最優體積為1.4250×10-4m3，比初始體積1.9292 ×10-4m3減小了26.13%，優化效果顯著，其體積變化如圖3所示。

3 結論

建立了缸間齒輪聯動液壓發動機連桿優化模型，利用Isight軟件集成ANSYS進行連桿建模分析與優化，最終求得最優解，連桿體積減小26.13%，優化效果顯著。

參考文獻：

[1]張洪信.一種齒輪聯動液壓發動機：中國， CN201310015184.4[P]. 2013（04）.

[2]孟祥蹤.基于三缸HCPE虛擬樣機的動力學仿真分析及連桿優化設計[D].青島：青島大學，2012.

作者簡介：高雷（1990-），男，碩士研究生，研究方向：車輛新型動力傳動技術。