發動機活塞曲柄連桿機構運動特性研究*

王智森，朱領兄

（景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮333000）

0 引言

發動機各零部件結構影響能量轉換，對汽車的動力性、平順性以及燃油經濟性、高效節能性等，都具有非常重大的意義?；钊B桿機構作為汽車發動機的主要動力機構，其力學性能的優劣直接影響到發動機的穩定性和可靠性。因此，研究活塞曲柄連桿機構的運動特性，成為發動機結構優化設計的關鍵。

近年來，相關學者針對連桿機構建模做了很多研究工作，侯占豐等提出了曲柄連桿機構主要部件的檢修方法[1]；趙滿倉論述了汽車發動機曲柄連桿機構的工作原理[2]；韋洪新等基于Visual Nastuan軟件平臺，對六桿機構進行動力學模擬仿真，得到運動特性，與理論結果吻合[3]；張德明基于PROE軟件對某型發動機活塞曲柄連桿機構進行三維建模，通過ADAMAS軟件，進行了仿真模擬分析，生成有限元分析的載荷文件[4]；馮義聯合利用CATIA/ADAMAS/ANSYS軟件對連桿機構的動力學特性進行研究，建立了發動機曲軸系的虛擬樣機模型[5]。上述研究方法均存在工作量較大、時間成本較長及仿真分析效率較低等方面的不足。課題組采用Working Model軟件和UG軟件相結合的方法，建立汽車發動機活塞曲柄連桿機構簡化模型并進行運動特性分析，為提升發動機性能指標提供一定的參考。

1 發動機活塞曲柄連桿機構運動學分析

1.1 Working Model軟件及其功能

Working Model軟件作為世界上最流行的計算機輔助工程仿真軟件之一，通過構建二維簡化模型，將虛擬的機械部件如彈簧、阻尼、齒輪和電機等之間的相互作用用運動副元素來代替，實現對機構運動特性的精確計算，界面如圖1所示。Working Model軟件包含對NURBS模型進行自動干涉檢測和響應的功能，最新的版本也包括諸如柔性梁、剪切和彎曲力矩以及鉸鏈摩擦等流行的腳本語言，用來擴展Working Model軟件的功能。

圖1 Working Model軟件界面

Working Model軟件具有強大的運動仿真分析功能，可以實時輸出機構各點的運動軌跡，具有以下特點：二維構件元素多樣化，使得機構建模更加緊湊；實現快速的“運行—分析—改進”循環方式，便于產品優化設計；軟件仿真環境易于操作，仿真過程省時高效；具備運行、停止、重置、單步執行以及暫停仿真分析功能模塊；能夠輸入二維CAD軟件繪出的DXF格式的圖形文件；實時輸出作用在構件上的力、力矩、速度及加速度等運動曲線圖數據。

1.2 發動機活塞曲柄連桿機構的組成及工作原理

汽車發動機活塞曲柄連桿機構的型式多種多樣，按照劃分依據的不同，形狀、種類各異。從機構運動學角度分析，廣泛應用的是對心活塞曲柄連桿機構。這類機構結構緊湊，由曲柄滑塊機構演變而成，將活塞連桿的往復運動轉化為曲軸曲柄的旋轉運動。發動機活塞曲柄連桿機構由連桿軸承、連桿軸承蓋、連桿螺栓、連桿、活塞銷、活塞環、活塞等七大部件組成，如圖2所示。

圖2 發動機活塞曲柄連桿機構

汽車發動機的環槽活塞使用最多的有三道，實現氣缸密封，最下面一道用來安裝油環?；钊考c氣缸體共同形成汽油燃燒空間，承受汽油與空氣燃燒反應后的氣體壓力，將作用力傳給配合活塞部件的連桿，帶動曲軸曲柄旋轉，產生持續不斷的動力?；钊h主要分為油環、氣環兩種，裝配在活塞環槽內表面，起到氣體密封的作用?；钊N一般采用低碳鋼或低碳合金生產制造，通常為空心圓柱體，起到活塞與連桿配合的作用。連桿軸承作為發動機中最重要的運動部件之一，將其安裝在連桿軸承孔座中，提升連桿與曲軸的工作壽命及傳動效率。

1.3 發動機活塞曲柄連桿機構運動學曲線分析

發動機活塞曲柄連桿機構運動學的重點研究任務是分析曲柄、連桿和活塞的運動特性。由于曲柄、連桿和活塞屬于不同的運動構件，運動形式也不同，其中，活塞是主動件，因此，研究活塞的運動特性是關鍵。將發動機活塞曲柄連桿機構的運動模型簡化為曲柄滑塊機構的運動模型，利用Working Model軟件對活塞的運動特性進行運動學曲線綜合分析，設置發動機曲軸曲柄的恒定轉速為800 r/min，簡化后的二維模型如圖3所示。

圖3 曲柄滑塊機構二維模型

應用Working Model軟件進行運動學仿真分析，得到曲柄滑塊機構即簡化后的發動機活塞曲柄連桿機構的運動特性曲線，如圖4所示。由圖中曲柄滑塊機構位移曲線分析圖可知：發動機活塞工作行程平穩，無噪音。由圖中曲柄滑塊機構速度曲線分析圖可知：發動機活塞在循環工作周期內速度變化穩定，無剛性沖擊，無沖動現象。由圖中曲柄滑塊機構加速度曲線分析圖可知：發動機活塞做功行程加速度趨近于恒定，回程加速度較大，提高了工作效率；加速度曲線連續不間斷，不會造成柔性沖擊，提高了結構可靠性。

圖4 曲柄滑塊機構運動特性曲線分析圖

2 發動機活塞曲柄連桿機構動力學分析

2.1 發動機活塞曲柄連桿機構動力學建模

目前，國內外學者研究發動機活塞曲柄連桿機構動力學分析的方法主要有圖解法和解析法兩種，理論分析及工程實踐均趨于成熟。汽車發動機活塞曲柄連桿機構的動力學分析主要為活塞與連桿之間作用力及力矩的計算分析、連桿與曲軸曲柄之間軸承力以及軸承之間扭矩的計算分析兩大部分。通過分析發動機活塞曲柄連桿機構的動力學原理，解決曲軸曲柄的慣性力矩過大及動力平衡不穩定的問題，提高發動機的動力性能。

綜上所述，將發動機活塞曲柄連桿機構動力學分析兩大部分進行簡化處理，忽略各零部件之間的摩擦阻力、自身重力等，只需要研究分析曲柄滑塊機構簡化模型中活塞作往復運動產生慣性力的變化規律。在Working Model軟件中進行曲柄滑塊機構動力學的建模，定義曲軸曲柄、連桿、活塞等簡化部件的尺寸、質量等相關參數，對簡化的各零部件質量需要按照相同標準換算，轉化為曲軸曲柄銷中心點、活塞銷中心點的等效質量。作用在曲柄滑塊機構中的力和力矩分別是活塞缸內的氣體壓力和慣性力，氣體壓力作用在活塞頂部，通過活塞銷傳遞到曲柄滑塊機構，大小隨曲軸曲柄轉動而周期性變化；所受慣性力的大小為產生加速度的大小與產生往復運動的等效質量之間的乘積，方向與產生加速度的方向相反。

2.2 基于Working Model曲柄連桿機構動力學分析

在機構運行過程中，需要把連桿的變形考慮進去，保證數據的真實有效性。在此基礎上，利用計算機輔助仿真分析軟件得到的結果會更加精確有效。運行Working Model軟件進行動力學仿真分析，得到曲柄滑塊機構即簡化后的發動機活塞曲柄連桿機構的動力學曲線，如圖5所示。由圖中曲柄滑塊機構總力曲線圖可知：發動機活塞所受慣性力大小變化與加速度大小變化規律相同，做功行程所受慣性力趨近于恒定，回程所受慣性力變化較大，對優化發動機活塞曲柄連桿機構各部件尺寸參數提供了參考方向。由圖中曲柄滑塊機構總力矩曲線圖可知：發動機活塞曲柄連桿機構在循環工作周期內總力矩趨近于零，工作過程平穩，不會產生較大的剛性及柔性沖擊。

圖5 曲柄滑塊機構動力學曲線分析圖

2.3 基于UG曲柄連桿機構建模與運動仿真

結合發動機活塞曲柄連桿機構運動學及動力學的分析結果，利用UG軟件根據簡化模型的尺寸三維建模，驗證運動仿真過程。簡化模型各部件尺寸如下：活塞直徑為85 mm，主軸頸半徑為29 mm，曲軸半徑為47.5 mm，連桿小端直徑為17 mm，連桿大端直徑為30 mm，連桿長度為147.5 mm，曲柄長度為65 mm。發動機活塞曲柄連桿機構中各零部件的材料特性如表1所示。

表1 發動機活塞曲柄連桿機構零部件材料特性

根據上述尺寸在UG軟件中完成機構中各零件的三維建模，將建模完成的活塞缸、活塞、活塞銷、連桿、曲軸曲柄及底座進行裝配，定義各零部件運動副類型，添加約束，得到簡化模型曲柄滑塊機構運動仿真過程，如圖6所示。根據曲柄滑塊機構運動仿真結果可知：發動機活塞在做功行程運行平穩，回程速度較快，與之前機構運動特性分析規律保持一致，驗證了機構運動學和動力學分析結果的正確性及機構工作的可靠性。

圖6 曲柄滑塊機構運動仿真

3 結論

目前，有關曲柄連桿機構運動特性的研究通常將機構考慮成剛體進行計算。課題組先對發動機活塞曲柄連桿機構各部件的運動特性進行理論分析，借助UG軟件進行三維建模，利用Working Model軟件進行簡化模型運動學及動力學分析。整個仿真分析流程花費時間約為5 min，通過建模、導入、求解等步驟，得出發動機活塞位移、速度、加速度及慣性力、總力矩的變化規律，為汽車發動機的動力性能優化提供了理論依據。