发动机曲轴扭振的多体动力学分析

发动机曲轴扭振的多体动力学分析

态。曲轴系统扭振研究既要考虑刚体运动,还要考

虑微观振动,综合求解规模和求解精度,结合有限元方法(FEM)的多体系统仿真(MSS)是解决这类问题比较合适的方法。

输出功率为149kW,施加摩擦时其输出功率为141kW,而额定功率为120kW,所以柴油机附件消耗功率为21kW。为了真实反映曲轴负荷状态,把该工况下的附件消耗的功率施加到皮带轮端。

在汽车发动机中,为了控制曲轴的扭转振动,一般要安装橡胶弹性扭转减振器。该减振器的出厂动态参数包括固有频率、阻尼比和温度。文中忽略温度的影响,通过计算可以得出扭转减振器的刚度和阻尼。以此刚度和阻尼将皮带轮和曲轴连接。

主轴承是发动机曲轴系统动力学分析中非常重要的环节。已经有很多文章对油膜进行研究[5-7]。对主轴承的模拟有线性弹簧阻尼、非线性弹簧阻尼、流体有限元等模型。对弹簧阻尼模型中一个曲轴轴颈又常采用单排、双排和三排弹簧阻尼支撑。图1为三排弹簧阻尼。

作者主要研究曲轴的扭转振动,而且最主要的是一阶扭转振动,采用相对简单的单排线性弹簧阻尼模型即可。

文中采用如图2所示的支撑图1　三排弹簧阻尼方式来模拟机体主轴承和主

轴承润滑油膜对曲轴的约束支撑作用,可以采用水平和竖直两个方向的弹簧单元来模拟主轴承对曲轴的约束作用

。

2　曲轴扭转振动分析模型

曲轴扭转振动的多体系统动力学分析模型主要包括曲轴的柔性体模型,活塞组件、连杆组件以及飞轮和皮带轮的刚体模型,各构件间的联接副以及作用于系统上的外力。下面分别介绍各部分的建模方法,以某6102型柴油机为例进行分析。211　曲轴柔性体模型的建立

由于曲轴作为发动机的中枢,其柔性作用对整个发动机的动力学特性有非常重要的影响,所以曲轴在工作时产生的弹性变形必须在计算分析中予以考虑。

建立曲轴的有限元模型,进行模态综合分析,产生一个包含曲轴的材料、节点、单元和模态信息的模态中性文件,以输入ADAMS中建立曲轴的柔性体模型。

因为要分析曲轴的扭振特性,曲轴的结构阻尼必须考虑。结构阻尼随频率是变化的,通过模态实验得出各阶模态的阻尼比,在ADAMS中分别赋予对应的模态。212　刚体模型的建立对于刚体模型,多体动力学分析需要的参数是零件的质心、质量和惯性矩。通过精确建立零件的三维实体模型,可以获得其准确的动力学分析参数。

分别建立活塞组件、连杆组件以及飞轮和皮带轮的三维实体模型,导入ADAMS中建立刚体模型。213　施加约束和作用力

图2　曲轴主轴承支撑示意图

根据零件间的实际运动关系将运动副简化成ADAMS中的理想约束。其中,活塞销与活塞、活塞销与连杆小头、连杆大头与曲柄销简化成铰链约束;考虑轴向止推片限制曲轴窜动的作用。活塞和汽缸套间简化为滑动约束,不考虑汽缸套的弹性变形作用。

根据该型柴油机的各项工作性能指标,确定结构的工作参数。该型柴油机的额定工况为120kW/2800r min-1,各缸的工作顺序为1—5—3—6—2—4。将实测的汽缸压力(采样频率为44kHz),施加到活塞上。对曲柄连杆机构进行某转速下的动力学计算。如转速为2400r/min时,不施加摩擦力,该机构

建立曲轴多体系统模型如图3所示。本模型用于分析稳定工况下的曲轴扭转振动,不考虑瞬态情况。

3　结果分析与对比

图3　曲柄连杆机构

多体系统模型

首先,对建立的曲轴系统进行扭转振动频率响应分析。

对于直列6缸的发动机,其激励较大的主谐次为3、6、9、12谐次,强谐次为115、415、715、1115谐次。文中研究的某6102型柴油机的转速范围在

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