多缸发动机曲轴系动力学仿真与分析

刘太全， 倪莲波

（1.青岛万汇遮阳用品有限公司，山东 青岛 266700；2.青岛德盛机械制造有限公司，山东 青岛 266700）

0 引言

曲轴系动力学分析是发动机曲轴系统设计与研究的重要内容，包括振动、强度、润滑等特性。曲轴系是发动机中最重要且受载荷情况最为复杂的部分，对发动机的NVH(振动、噪声、行驶平顺性)性能有着重要影响［1-2］。随着计算机技术的发展，借助计算机创建虚拟样机进行设计和仿真来模拟曲轴的整个复杂运动过程，可以提高设计质量，节省时间和成本［3］。

ANSYS Workbench功能强大，能和多种CAD软件融合，可以直接利用异构CAD系统的模型，还可建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系［4］。本文基于Pro/E建立了某V型十缸发动机参数化三维模型，通过Pro/E和ANSYS Workbench联合仿真，对V型10缸发动机曲轴系进行动力学仿真，并计算和分析了活塞、曲轴、连杆等主要运动部件在既定工况下整周期的运动规律和力学特性。

1 动力学模型的建立

在Pro/E软件中建立曲轴系各构件的三维实体模型，并根据它们的相互关系进行装配，得到曲轴系的实体模型，再输入零件材料的密度，可得到各零件质量、质心位置及转动惯量等参数。将曲轴系三维实体模型导入ANSYS Workbench中，进行几何模型的有限元模型处理和分析。该V型10缸发动机曲轴系统主要包括曲轴、连杆、活塞、飞轮等组件，根据各零部件之间的实际运动关系可分别将这些运动副转化成相应约束。气缸内气体爆发压力通过活塞、连杆驱动曲轴，在各缸活塞表面上施加气体作用力，且方向与活塞运动方向平行，并施加驱动，即可获得多刚体动力学模型［5-6］，曲轴系动力学模型如图1所示。

2 动力学仿真与分析

假设曲轴转速为n=2 500 r/min，按照发动机发火顺序施加气体作用力。在曲轴系动力学模型中，10个气缸有一定相位关系，在施加缸内气体压力时，各缸活塞气体压力相位应根据各缸发火顺序做相应的调整。该发动机的发火顺序为 1→4→2→7→5→10→6→9→3→8，V 型夹角为72°，依次将气体压力沿气缸轴向施加于活塞顶部，令曲轴按对应转速转动，模拟发动机的实际运行情况，对曲轴系进行多个工作周期的仿真。缸内气体压力示功图如图2所示。

图1 10缸发动机曲轴系动力学仿真模型

图2 气体压力示功图

仿真周期为0.048 s时，活塞速度及加速度变化曲线分别如图3和图4所示。明显可以看出转速呈正弦曲线形式，上下波动很小，仿真结果与实际情况基本相符。一般情况下，缸数越多转速越稳定，功率输出越稳定，噪声和振动越小。

图5为发动机在标定工况下，动力学仿真得到的活塞7和活塞9对缸体的侧向作用力绝对值结果。可以看出，活塞对第7缸和第9缸的侧击力基本一致，只存在相位差，当由压缩行程转化为做功行程时，缸内高压燃气瞬间爆炸做功，活塞受到巨大的冲击力，其侧压力曲线出现尖峰值。且侧压力的作用点、作用方向和大小随时间变化。由于活塞和缸套之间存在间隙，从而引起活塞由缸套一侧向另外一侧敲击气缸体，引起发动机机体的振动。

图6所示为曲轴所受合力曲线，可以看出曲轴颈部所受载荷动态性很强，在工作周期内承受多次冲击，工况复杂，分析该处的动态载荷对曲轴颈部的设计具有重要的指导意义。图7所示曲线为销轴2和销轴9处动态载荷曲线，当某一缸点火做功时刻，该缸曲柄销受力最大，且冲击性大，因此要求连杆大头及曲柄销的强度、刚度、耐磨性较高。由图6和图7可以看出，曲轴工作时承受多种复杂的动态载荷。因此，在曲轴详细设计时可以根据其动力学仿真分析结果来优化其刚度、强度与寿命设计等。

图3 活塞1和活塞10的速度和加速度变化曲线

图4 活塞1和活塞10的加速度变化曲线

图5 活塞侧压力变化曲线

图6 曲轴所受合力曲线

图7 销轴2和销轴9处动态载荷曲线

3结语

基于Pro/E和ANSYS Workbench建立了某V型10缸发动机曲轴系动力学分析模型，进行了曲轴系刚体动力学仿真，详细研究了活塞、曲轴和连杆等主要运动部件的运动规律及力学特性。分析了活塞对缸体的侧向作用力、主轴承载荷等参数及其对整机振动及噪声的影响。曲轴系的动力学仿真分析对于发动机的结构动态特性研究以及预测设计阶段具有十分重要的意义。

［1］ 武秀根，郑百林，杨青，等.柴油机曲轴的多柔体动力学仿真与疲劳分析［J］.计算机辅助工程，2007，16（2）：1-4.

［2］ 张小明，冷军发，刘波.基于ADAMS的单缸内燃机动力学分析与研究［J］.机械传动，2009，33（4）：52-54.

［3］ 易际明，杨靖，张亮峰.虚拟样机技术在SL1126内燃机设计中的应用研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2004，16（7）：1016-1019.

［4］ 吕端，曾东建，于晓洋，等.基于ANSYS Workbench的V8发动机曲轴有限元模态分析［J］.机械设计与制造，2012（8）：11-13.

［5］ 张俊红，郑勇.内燃机振动、噪声的多体动力学分析［J］.中国机械工程，2006，17（1）：25-28.

［6］ 朱永梅，刘艳梨.发动机曲轴轴系多柔体动力学仿真及应力应变分析［J］.江苏科技大学学报：自然科学版，2009，23（4）：325-330.