多缸發(fā)動機曲軸系動力學仿真與分析

劉太全， 倪蓮波

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0 引言

曲軸系動力學分析是發(fā)動機曲軸系統(tǒng)設(shè)計與研究的重要內(nèi)容，包括振動、強度、潤滑等特性。曲軸系是發(fā)動機中最重要且受載荷情況最為復(fù)雜的部分，對發(fā)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(shù)的發(fā)展，借助計算機創(chuàng)建虛擬樣機進行設(shè)計和仿真來模擬曲軸的整個復(fù)雜運動過程，可以提高設(shè)計質(zhì)量，節(jié)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(gòu)CAD系統(tǒng)的模型，還可建立與CAD系統(tǒng)靈活的雙向參數(shù)互動關(guān)系［4］。本文基于Pro/E建立了某V型十缸發(fā)動機參數(shù)化三維模型，通過Pro/E和ANSYS Workbench聯(lián)合仿真，對V型10缸發(fā)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(guī)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(gòu)件的三維實體模型，并根據(jù)它們的相互關(guān)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(zhì)量、質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。將曲軸系三維實體模型導(dǎo)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(fā)動機曲軸系統(tǒng)主要包括曲軸、連桿、活塞、飛輪等組件，根據(jù)各零部件之間的實際運動關(guān)系可分別將這些運動副轉(zhuǎn)化成相應(yīng)約束。氣缸內(nèi)氣體爆發(fā)壓力通過活塞、連桿驅(qū)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(qū)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(shè)曲軸轉(zhuǎn)速為n=2 500 r/min，按照發(fā)動機發(fā)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(guān)系，在施加缸內(nèi)氣體壓力時，各缸活塞氣體壓力相位應(yīng)根據(jù)各缸發(fā)火順序做相應(yīng)的調(diào)整。該發(fā)動機的發(fā)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(yīng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，模擬發(fā)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(nèi)氣體壓力示功圖如圖2所示。

圖1 10缸發(fā)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(zhuǎn)速呈正弦曲線形式，上下波動很小，仿真結(jié)果與實際情況基本相符。一般情況下，缸數(shù)越多轉(zhuǎn)速越穩(wěn)定，功率輸出越穩(wěn)定，噪聲和振動越小。

圖5為發(fā)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(cè)向作用力絕對值結(jié)果?？梢钥闯?，活塞對第7缸和第9缸的側(cè)擊力基本一致，只存在相位差，當由壓縮行程轉(zhuǎn)化為做功行程時，缸內(nèi)高壓燃氣瞬間爆炸做功，活塞受到巨大的沖擊力，其側(cè)壓力曲線出現(xiàn)尖峰值。且側(cè)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(cè)向另外一側(cè)敲擊氣缸體，引起發(fā)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(tài)性很強，在工作周期內(nèi)承受多次沖擊，工況復(fù)雜，分析該處的動態(tài)載荷對曲軸頸部的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。圖7所示曲線為銷軸2和銷軸9處動態(tài)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(fù)雜的動態(tài)載荷。因此，在曲軸詳細設(shè)計時可以根據(jù)其動力學仿真分析結(jié)果來優(yōu)化其剛度、強度與壽命設(shè)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(cè)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(tài)載荷曲線

3結(jié)語

基于Pro/E和ANSYS Workbench建立了某V型10缸發(fā)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(guī)律及力學特性。分析了活塞對缸體的側(cè)向作用力、主軸承載荷等參數(shù)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(fā)動機的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性研究以及預(yù)測設(shè)計階段具有十分重要的意義。

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