基于ADAMS的水平对置发动机活塞运动仿真

王健，李洪钰（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110168）



基于ADAMS的水平对置发动机活塞运动仿真

王健，李洪钰
（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110168）

用UG建立曲柄连杆机构的实体简化模型并进行装配，用ADAMS软件对建立的模型运动学仿真，通过对各部件施加合理的边界和运动副，模拟出曲柄连杆机构中活塞的运动过程，得出其运动学参数，为研究水平对置发动机曲柄连杆机构运动学提供依据。

UG；ADAMS；运动学仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.034

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-111-02

前言

四冲程往复活塞式内燃机是一种常用的发动机类型，利用油气混合物燃烧时气体的膨胀使活塞在气缸内移动，通过连杆机构将活塞的平面移动转变成曲轴的转动，与其它原理内燃机相比，这种内燃机具有压力范围广、热效率高、适应性较强的优点[1]。曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构，因此对其活塞的运动学和动力特性研究尤为重要，本文用ADAMS软件对活塞进行运动仿真。

1、水平对置发动机活塞运动简介

水平对置发动机的气缸排列形式为对置式，是指左右两列气缸相对排列，这样的结构使发动机整体重心降低、平衡性好[2]。相对于普通的直列和V型发动机活塞运动形式，水平对置发动机的活塞运动为水平方向上的左右运动。水平对置发动机活塞运动简图如图1所示，构件1、2、3、4分别为活塞，5、6、7、8为相对应的连杆，9、10、11、12分别为气缸，13为曲轴，其两端分别为14飞轮和15曲轴减振器。发动机工作时，活塞在气缸内经过四个冲程：进气冲程、压缩冲程、作功冲程和排气冲程。在作功冲程中油气混合物燃烧时的急剧膨胀带来的压力，使停留在上止点的活塞向下止点运动，并通过连杆将这种平面移动转化为曲轴的转动，转动半径为R，通过曲轴飞轮端传递给汽车的变速系统，进而传递给车轮，使汽车行驶。对于四冲程发动机来说，曲轴转2圈发动机完成进气、压缩、作功和排气四个过程，且在这四个行程中，只有作功行程是对外做功。由此引起曲轴输出转矩成周期性，为了改善这种状况，在曲轴后端装置飞轮。

2、曲柄连杆机构简化模型的建立和装配

根据某型号水平对置发动机的相关参数，建立曲轴、连杆、活塞等部件的三维实体简化模型。本文是对活塞运动学仿真，不考虑飞轮和曲轴减震器。

对建立后的模型进行装配，装配时注意各零件之间是否存在干涉[3]。装配后的模型如图2所示。

3、水平对置发动机曲柄连杆运动仿真

将装配好的模型保存为.igs格式，导入到ADAMS中。在ADAMS中对模型各部件定义材料密度，得到各部件具体质量。

3.1添加约束

对装配后的模型添加各部件之间的约束关系。根据水平对置发动机曲柄连杆运动机理，曲轴和ground之间添加转动副，活塞和气缸添加移动副，曲轴和连杆之间、活塞和连杆之间添加转动副[4]。

3.2添加驱动

本文对活塞运动学仿真，为了便于运动学分析，采用逆向思路，曲轴转动带动活塞的平面移动，设置驱动力来源于曲轴，即在曲轴与ground之间的转动副创建驱动。驱动设置参数如图3所示，将End Time设置为1，Steps设置为50。

3.3虚拟样机的仿真过程

活塞经过进气—压缩—作功—排气四个冲程，四个冲程中活塞位置如图4所示。

3.4仿真结果及分析

在ADAMS提取活塞1的质心位置、速度、加速度随时间变化的运动曲线，如图5、6、7所示。

由变化曲线知，4个活塞质心位置、速度、加速度变化规律基本一致，活塞质心位置、速度、加速度都是成周期变化，这与活塞实际运动规律一致。发动机在工作过程中，由于曲轴的转速不同，不同活塞的运动存在着一定的超前或之后关系，在图上则表现出不同活塞运动曲线的相位差。

3、结论

本文通过UG建立水平发动机曲柄连杆机构的简化模型并进行装配，用ADMAS对其活塞运动学仿真，得出各活塞质心的位置、速度、加速度变化曲线，得到了活塞运动的相关参数，对研究水平对置发动机曲柄连杆机构的运动学和动力特性提供了依据。

[1]陈家瑞.汽车构造.北京：机械工业出版社，2009.

[2]虞展.富士新一代水平对置轿车柴油机[J].发动机，2011.

[3]朱海荣，彭培英，熊义强.基于ADAMS的往复活塞式压缩机运动机构仿真研究[J].机械设计与制造，2010.

[4]宋少云，尹芳.ADAMS在机械设计中的应用.北京：国防工业出版社，2015.

The piston movement simulation of boxer engine based on ADAMS

Wang Jian,Li Hongyu
(Shenyang Polytechnic University,School of automobile and traffic,Liaoning Shenyang 110168)

Catia is used to establish the simplified model of crank connecting rod mechanism and assemble it.Using the ADAMS software to establish the model of kinematics simulation and simulate the movement process of piston connecting rod through imposing reasonable boundary and kinematic pair on every part,then obtain its kinematic parameters,which provide basis for researching crank connecting rod mechanism of boxer engine.

UG; ADAMS; kinematical simulation

U463

A

1671-7988（2016）08-111-02

王健（1991-），男，研究生，就读于沈阳理工大学，研究方向：车辆现代设计与制造技术。