柴油機曲柄連桿機構仿真研究

張永斌

福建船政交通職業學院 福建 福州 350000

1 柴油機建模

本文選用Pro/Engineer(以下簡稱Pro/E)軟件作為建模軟件，具有強大的參數化建模、三維實體建模、裝配及特征驅動等功能。整個柴油機是一個非常復雜的設備，包含有多達兩千多個的零件，除了固定約束外，還包含有多達三百多個的相對運動關系，因此要根據我們研究的需要進行取舍[1]。

2 柴油機虛擬裝配

柴油機建完模，按照各零部件的相對位置及運動規律，對柴油機進行裝配，裝配模型能夠描述產品中所有零件的空間位置和裝配關系。利用虛擬裝配，可以驗證裝配設計和操作的正確與否，以便及早發現裝配中的問題，對模型進行修改，達到物理樣機的功能。完成以上各個部件的模型裝配之后，柴油機的整機三維模型就建立起來了。

Pro/E軟件動力學仿真效果比較差，本文利用ADAMS軟件進行仿真運行分析。通過Mechanism/Pro接口軟件，將Pro/E中建立的三維模型導入ADAMS中去。

3 柴油機仿真參數設置

柴油機的整機模型建立好之后，接下去進行運動學仿真。柴油機額定工作轉速是900RPM，工作負荷是100%。柴油機的活塞一方面受到燃氣壓力推動曲軸旋轉，另一方面飛輪端受到負載作用，兩者達到平衡，共同作用實現柴油的平穩運行。缸內壓力的大小是周期性變化的，由示功圖可以獲得。活塞頂面受到力的大小等于缸內壓力乘以活塞外徑的面積，各個氣缸的壓力變化是一致的，只是根據發火順序不同相差一定的相位，因此只要計算出一個活塞受力規律即可，其他缸的受力就是調整一定的相位即可[3]。首先通過理論計把柴油機的整合輸出扭矩計算出來，定義成樣條曲線輸入ADAMS，然后在曲軸的旋轉副上添加力矩。仿真要包含一個完整的運動周期，將仿真持續時間設置為0.2667s，要保證仿真能夠達到足夠的精度，仿真步長設定為0.0005s。

圖1 柴油機三維仿真模型

4 仿真結果比較分析

在ADAMAS中進行仿真運行，得到各個部件的運動規律及受力情況。各個氣缸的運動情況是一致的，取第三缸為研究對象。

圖2 柴油機轉速

從柴油機轉速波動圖上可以看出，柴油機轉速是在900.592r/min，至899.492r/min之間波動的。轉速波動率0.06%左右，飛輪的慣性足夠大，能夠滿足柴油機正常工作的要求。每一周期有六個波峰與波谷，這與實際情況相對應。此時曲柄連桿機構的慣性越大，柴油機的缸數越多，柴油機的工作就越平穩。

表1 活塞主要運動學特性仿真與理論計算數據對比

圖3 活塞速度仿真與理論計算對比曲線

根據以上活塞特性曲線對比圖，可清楚地得出仿真計算的值與理論計算的值不僅在趨勢上是一致的，峰值上沒有多大的差別，兩組曲線幾乎重疊在一起。從而證明動力學仿真模型建立的正確性。

仿真中活塞組件最大速度為+15016 mm/s，最小–15016mm/s；相應理論計算出來的速度最大為+14969mm/s，最小為–14969mm/s，其相對誤差分別是0.047%和0.027%，誤差范圍是很小，而且與柴油機的轉速波動誤差率0.056%很接近。可以認為是柴油機的轉速波動變化引起了活塞速度的變化 ，因此與按恒定轉速的理論計算值有一定的誤差。同理活塞加速度與理論計算值也有一定的誤差，而且誤差的等級也提高了一個數量級，這是很符合實際情況的。

圖4 活塞銷受力

活塞銷是柴油機中受力苛刻的柱狀零件，主要受到氣缸內的燃氣壓力和活塞組件運動時產生的慣性力共同作用。活塞銷作用力載荷大，變化劇烈，是柴油機中的易損件。從活塞銷合力對比圖中可以看出，仿真曲線和理論計算的曲線基本是相吻合的。活塞銷合力仿真計算的峰值是6.1716e6N，而理論計算的峰值是6.1962e6N，兩者相差的范圍很小，誤差率緊為0.4%。出現偏差的原因是理論計算的時候沒有把活塞組件的重力，高次慣性力考慮在內，以及對連桿小端質量的不同計算方法造成的。活塞銷合力仿真計算的峰值出現在曲柄轉角371.21度的位置，與氣缸爆炸壓力出現在上止后11.25度是高度一致的。

5 結束語

綜上所述，應用PRO/E軟件建模，再導入ADAMAS中仿真。其所得到的結果與柴油機的實際運行情況基本一致，對柴油機設計制造具有十分重要的指導意義。