汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析

孙可华 姜颜超

摘要：本文对汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性进行分析，创建D6114B发动机的仿真动力学模型，利用ANSYS有限元分析软件软件得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据，分别对活塞、曲轴、连杆的受力进行分析，研究进油口、润滑油槽位置布置，为发动机机械构造设计提供参考。

关键字：发动机；曲柄连杆机构；动力学

曲柄连杆机构的动力学特性对于汽车发动机的可靠性、振动效果、噪声等有很大关联，利用机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）创建D6114B发动机的仿真动力学模型，分析发动机曲柄连杆机构的曲轴、连杆的模态数据，对准确的掌握D6114B发动机曲柄连杆机构的零部件动力学特性具有一定的参考价值。

1. 汽车发动机曲柄连杆机构动力学模型

汽车发动机曲柄连杆机构是由缸体、曲轴、连杆、飞轮活塞，构成。上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构如图1所示

图1上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构图

缸体与曲轴连接铰链中有一条为转动铰链，其余为圆柱铰链，飞轮与曲轴固定，连接杆与曲轴之间的连接采用转动铰链，其大头一端连接曲轴，小头一端连接活塞，活塞与缸体之间采用圆柱铰链连接。

利用以上模型的各个部件的几何位置参数和质量参数建立CAD数据模型，传入给机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）进行分析和计算，活塞1-8作用在各缸体气压力学特性输入ANSYS如图1所示：

图1 发动机各缸气体压力特性

得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据结果如表1所示

模态

阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

频率 124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1 841.1 947.2

模態

阶数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

频率 1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 1745 1862.5 2394.9

2. 曲柄连杆机构动力学分析

当对活塞逐级施加压力0-12/104pa，对应曲轴转速2200r/min，活塞运动其对气缸的侧推力在-7804~6960N之间周期性变化，侧推力对汽缸壁的磨损影响很大。缸活塞队气缸侧推力如图2所示：

图2 缸活塞对气缸的侧推力

由此，利用对侧推力的周期变化频谱进行分析，优化对发动机悬置。

发动机曲轴的载荷能力与曲轴主颈上的进油口、润滑油槽布置情况有关，同时，曲轴主颈的磨损也与曲轴主轴颈的载荷有关。发动机转动一个周期曲轴主轴颈的载荷受力大小成波峰、波谷间变化，在波峰与波谷的顶点出载荷受力最大。由此，可以在布置进油口、润滑油槽布时应避开在波峰与波谷点。

发动机的曲柄连杆轴所承受的力在柄稍处于膨胀冲程最高点时达到做大力值，最大受力点在柄稍和连杆轴承相接处的位置。因此，可以在布置进油口、润滑油槽布时应避开该位置附近。

发动机曲柄连杆机构固定在缸体上，当发动机工作曲柄连杆机构运动过程中，产生的惯性会带动缸体的抖动，而缸体连接的是汽车的车架，通过力的传导车体就会发生抖动，这会使驾驶者感觉到形成的振动颠簸，影响行车的舒适感。在曲轴转角发生变化时发动机抖动沿着上下、左右、前后成周期性变化，在变化幅度方面上下、左右变化频率大致相同，前后抖动频率较高。由此，在发动机安装时应根据发动机抖动的刚度合理选择悬置点，进而可以降低其对车架的影响，提高驾驶的舒适性。

发动机工作输出功率呈波峰、波谷变化，当发动机刚开始运转时，发动机曲柄连杆机构运动逐渐提高发动机转速增加，当达到摩擦峰值时，发动机柄连杆机构运动会逐渐下降，发动机的输出功率向下滑落，当摩擦值小于临界点时，发动机曲柄连杆机构运动又逐渐提高，发动机转速再次增加，形成循环。由此，发动机摩擦峰值的大小直接影响着对发动机的功率，降低摩擦系数是提高发动机动力的有效方法。

3. 结论

综上所述，汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性与发动机的功率大小和发动机的性能息息相关，提高发动机的曲柄连杆机构的动力学性能，对于发动机的性能具有非常重要的作用。

4. 参考文献

[1]王远,朱会田,曹永晟,盛德号,谷叶水.基于有限元法的发动机连杆疲劳强度分析研究[J].机械传动.2010(03)

[2]叶国林,曾建谋,杜宝雷.柴油机连杆有限元分析[J].内燃机.2008(01)

[3]赵丕欢,樊文欣,张保成,郭常立.基于虚拟样机技术的柴油机曲柄连杆机构动力学仿真研究[J].柴油机设计与制造.2008(04)

[4]李丽婷,李威,刘子强,李全,冯明志.基于有限元分析的柴油机曲轴多体动力学仿真[J].柴油机.2007(03).