柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬運(yùn)動仿真

1、第 1 章 緒 論1.1 虛擬樣機(jī)仿真發(fā)展簡史虛擬樣機(jī)技術(shù)是上世紀(jì) 80 年逐漸興起、基于計算機(jī)技術(shù)的一個新概念。它是建立在計算機(jī)上的原型系統(tǒng)或子系統(tǒng)模型，它在一定程度上具有與物理樣機(jī)相當(dāng)?shù)墓δ苷鎸嵍?。利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)來對其候選設(shè)計的各種特性進(jìn)行測試和評價。虛擬樣機(jī)設(shè)計環(huán)境是模型、仿真和仿真者的一個集合，它主要用于引導(dǎo)產(chǎn)品從思想到樣機(jī)的設(shè)計，強(qiáng)調(diào)子系統(tǒng)的優(yōu)化與組合，而不是實際的硬件系統(tǒng)。從國內(nèi)外對虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究可以看出，虛

2、擬樣機(jī)技術(shù)的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在不同定義。虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅是計算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，更是一種全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計理念。與傳統(tǒng)的仿真分析相比，傳統(tǒng)的仿真是針對單個子系統(tǒng)的仿真，而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是強(qiáng)調(diào)整體的優(yōu)化，它通過虛擬整機(jī)與虛擬環(huán)境的融合，對產(chǎn)品多種設(shè)計方案進(jìn)行測試、評估，并不斷改進(jìn)設(shè)計方案，直到獲得最優(yōu)的整機(jī)性能。另一方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方法是一個串行的過程，各子系統(tǒng)的設(shè)計都是獨(dú)立的，忽略了各子系統(tǒng)之間的動

3、態(tài)交互與協(xié)同求解，因此設(shè)計的不足往往到產(chǎn)品開發(fā)的后期才被發(fā)現(xiàn)，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)在內(nèi)的多體動力學(xué)虛擬樣機(jī)，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計，可在產(chǎn)品設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，把系統(tǒng)的測試分析作為整個產(chǎn)品設(shè)計過程的驅(qū)動[10]。1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍虛擬樣機(jī)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車制造、工程機(jī)械、鐵道、造船、軍事裝備、機(jī)械電子，以及娛樂設(shè)備等各個領(lǐng)域。虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械

4、領(lǐng)域可應(yīng)用的方面有：履帶式和輪式車輛穩(wěn)定性、操作性能研究，液壓系統(tǒng)、牽引設(shè)備性能預(yù)測，推土機(jī)、挖掘機(jī)、林業(yè)機(jī)械等動態(tài)性能研究，零部件和發(fā)動機(jī)載荷預(yù)測與尺寸確定，駕駛員視野研究，預(yù)測挖掘機(jī)所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。1.3 設(shè)計研究的主要內(nèi)容對內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究內(nèi)容有：第 2 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力，關(guān)鍵在于分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對

5、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、磨損等方面的分析、計算和設(shè)計，以便達(dá)到發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求。2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多，按運(yùn)動學(xué)觀點(diǎn)可分為三類，即:中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。1、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用并列連桿與叉形連桿的 V

6、 形內(nèi)燃機(jī)，以及對置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。2、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線，但不通過曲軸的回轉(zhuǎn)中心，氣缸中心線距離曲軸的回轉(zhuǎn)軸線具有一偏移量 e。這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以減小膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側(cè)壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻。 3、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿，其它各列氣缸則用副連桿，這些連桿的下端不是直接接在曲

7、柄銷上，而是通過副連桿銷裝在主連桿的大頭上，形成了“關(guān)節(jié)式”運(yùn)動，所以這種機(jī)構(gòu)有時也稱為“關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)” 。在關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，一個曲柄可以同時帶動幾套副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使內(nèi)燃機(jī)長度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機(jī)車用 V 形內(nèi)燃機(jī)。經(jīng)過比較，本設(shè)計的型式選擇為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)。2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖 2.1 所示，圖 2.1 中氣缸中心線通過曲軸中心 O，OB為曲柄，AB 為連桿，B