摩托车发动机曲柄滑块机构虚拟样机建模与仿真.doc

重庆交通大学 2013～2014学年1学期研究生课程考试 小论文 课程名称： 现代机械设计与方法 课程编号： 2040012 论文题目：摩托车发动机曲柄滑块机构虚拟样机建模与仿真 研究生姓名： 学 号： 论文评语： 成 绩： 任课教师： 评阅日期： 摩托车发动机曲柄滑块机构虚拟样机建模与仿真 摘要 本文在曲柄滑块机构理论分析的基础上，利用三维建模软件SOLIDWORKS及动力学分析软件ADAMS对内燃机曲柄滑块机构的动力学问题进行了虚拟样机仿真模拟分析。并以单缸内燃机为研究对象，对额定工况下内燃机的示功图和曲柄滑块机构的动力学公式进行了编程计算，绘制出机构动态力随曲轴转角的变化曲线。然后在SOLIDWORKS中建立内燃机曲柄滑块机构的虚拟样机模型，导入ADAMS中进行动力学分析，绘制出虚拟样机模型中各连接位置处动力仿真结果曲线。 通过本文的研究，展示了一种简捷、高效的机械设计分析手段，对今后同类型的研究乃至更大规模的仿真分析积累了一些经验。 关键词：曲柄滑块机构;SOLILWORKS;多体动力学;ADAMS 引言 内燃机是目前世界上应用最为广泛的热动力装置，自1860年法国人设计出第一台煤气发动机以来，内燃机无论是在结构上还是在性能上都较以前有了很大的进步。在现今社会，几乎所有的交通工具都以内燃机做其核心的动力源。 科技进步不仅推动了内燃机的发展，也对其性能提出了更高的要求——燃料燃烧的高效低污染、实用的稳定性以及更长的寿命等。这都要求内燃机改进设计优化结构以减少工作过程中的各种动态力。 曲柄滑块机构的设计是否合理将直接影响内燃机的功率、排放、可靠性和使用寿命等。随着计算机技术的发展，在机械设计过程中运用计算机辅助设计手段的利用程度已成为微量内燃机性能优劣的标准之一。欧洲、美国和日本等汽车工业发达的国家，汽车发动机设计全部利用CAD/CAE/CAM技术，这也使得他们的发动机性能优良。美国评选的2005的全球十佳发动机，前三名来自于德国的奥迪和宝马公司，其余的也全部由美国和日本设计生产。目前我国对这些先进手段的利用程度还很低，而且资金和人才缺乏再加上国外的技术封锁，真正拥有自己一套技术的发动机还很少。加入WTO后的中国面对的是全世界的竞争，中国的机械行业要达到发达国家水平，必须掌握先进的产品开发技术。 2. 曲柄滑块机构的运动学理论分析及计算 单缸内燃机的工作机构采用中心式曲柄滑块机构，即汽缸、曲轴中心线位于同一平面，如图2.1所示。在曲柄滑块机构运动过程中，活塞作往复直线运动，曲柄OB旋转运动，连杆AB作平面复合运动。在曲柄滑块机构运动学计算中，曲柄的运动可以近似的看作是等速旋转，因为发动机在稳定的工况下工作时，由于扭矩不均匀性而引起的曲柄回转角速度的变化是不大的。曲柄转角α是从气缸中心线顺着曲柄转动方向量度的。当α=0°时，图中点表示活塞和曲柄销在上止点位置，当α=180°时，活塞和曲柄销处于下止点位置（）。 活塞在作往复运动过程中，其速度和加速度都是变化的。它的速度和加速度的数值变化规律对曲柄滑块机构以及内燃机整体的工作都具有很大的影响，因此研究曲柄滑块机构运动学的主要就是研究活塞的运动规律 图2.1 中心式曲柄滑块机构简图 曲柄r=24.75mm 连杆l=103.5mm 活塞的位移S 活塞的位移： （2-1） 其中β---连杆摆动角；----曲柄连杆比 由图可知： 即可得到 对于左边cos可按照二项式定理展开如： 而由于实际上，所以可取 并代入到（2-1），且由，得到： （2-2） 式中有： 代入数值曲柄和连杆，r/l=0.24得到活塞位移公式为 用MATLAB对式（2-2）进行编程如下 运行即可得到如图所示的位移曲线图 图2.2 活塞位移曲线 根据图示，我们可以知道当α=180°时，得到活塞最大位移 =48.75mm 活塞速度v 我们对式（2-3）求其对时间的一次导数即得到活塞速度v与曲轴转角的关系式：