柴油机活塞-曲轴系统的动力学分析

第ｌ３卷第２期　兰州工业高等专科学校学报　Ｖｎ１．１３．Ｎｏ．２　２００６年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｊｕｎ．．２ｏｏ６　文章编号：１００９—２２６９（２０ｏ６）０２—０００１—０４　柴油机活塞一曲轴系统的动力学分析　宋智辉　（兰州铁路局，甘肃兰州７３００３０）　摘要：作为内燃机中重要的部件之一，形状复杂的曲轴承受着大小与方向周期性变化的激振力，　在工作过程中曲轴将产生弯扭耦舍的振动力学现象，因此，深入开展内燃机曲轴系统动力学特性　研究具有较高的理论价值和重要的实际意义．以单缸柴油机为例，对曲轴轴心在气缸扭转力矩的　作用下的轨迹进行了仿真，得到了轴心的响应曲线，并对其结果进行了分析．结果表明：数值计算　结果与解析分析结果有较好的一致性．　关键词：单缸柴油机；扭矩振动；非线性振动　中图分类号：ＴＫ　４２２　文献标识码：Ａ　Ｏ　引言　运用数值仿真的方法对单缸柴油机的曲轴轴心运动轨迹进行研究，将更容易获得柴油机系统的运动　特性．文献［１］利用ＡＭＤＭＳ／Ｖｉｅｗ建立了车用高速柴油机曲轴连杆机构的动力学仿真模型，得到了理论分　析与实际试验相吻合的结果．文献［２］以４缸柴油机为例，对轴承结构动力响应与机体结构模态特征间的　关系，以及主轴承结构振动与机体结构振动和噪声辐射之间的关系进行了探讨．文献［３］对机体各部位机　构动力响应与机体结构模态特征、噪声辐射间的关系以及机体结构振动对缸套与活塞之间流体润滑性能　的影响也进行了讨论，从而为多缸内燃机的设计提供了必要的依据，但他并未把其所得到的结果结合实际　柴油机进行研究．　１　气缸内气体压力和激振力矩的仿真　１．１　对气缸内气体压力进行分析　对气体压力说明如下：　・　１）进、排气冲程作用在活塞上的气体压力近似取常数．因此，　取进气冲程的进气压力为１　ｂａｒ，排气冲程压力为１　ｂａｒ．　单缸柴油机结构简图如图１所示．　２）压缩冲程的气体压力用函数Ｐ＝ｐｎ￣“－表示，膨胀冲程的气　体压力用函数Ｐ＝　ｌ　：表示．其中，Ｐ　为进气冲程结束时的气体　压力；Ｐ　为压缩冲程结束时的气体压力；ｅ为压缩比；　为后膨胀　比；ｎ，，７／，　为压缩多变指数和膨胀多变指数，增压柴油机分别取　１．３８和１．１６．　・收稿日期：２００６—０２—２７　作者简介：宋智辉（１９６９一），男，河北唐山人，工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com

・２・　兰州工业高等专科学校学报　第ｌ３卷　３）在压缩结束时其最高压力为Ｐ＾＝６—９　ＭＰａ，根据工程实际需要取Ｐ＾为７．４　Ｍｐａ．运用ＭＡＴＬＡＢ对　气缸的气体压力进行仿真，结果如图２所示．　１．２对曲轴所受激振力矩进行仿真　由于气缸内气体压力的变化规律比较复杂，无法用简单的函数式表达，因此，可以取上面所得结果代　入下面公式进行仿真．其公式为　Ｆ＝号ｐｄ　式中：Ｆ，ｄ，ｐ分别为作用在活塞上的气体总压力、气缸直径和气缸内气体压强．　气体压力对曲轴的激振力矩　＝ｎ　ＣＯＳ　廿　ｎ（ｓｉｎ　ｔ＋￣／ｓｉｎ２ｃｏｔ）　式中：ｆ，ｒ分别为连杆长度和曲柄半径．取计算参数为ｆ＝０．２　ｍ，ｒ＝０．１５　ｍ，并进行仿真，结果如图３所　示．　…川…【转，ｎ（　）　川　【｝ｌ｜４‘ｆｉ＇Ｊ（ｒａｄ）　图２单缸柴油机气缸压强　田３曲轴扭转力　由于柴油机在实际工作过程中进、排气阀的开启和关闭都需要一定时间，不可能在活塞到达上止点或　下止点的瞬间完成开启和关闭气阀的动作．另外，为增大进气量，减小进气损失和加速排气过程，降低排气　阻力，进、排气阀相对于上下止点都是提前开启和滞后关闭的．从图３中可以看出在活塞到达上止点之前　和下止点之后。扭转力矩有明显的增加和减小现象发生．　１．３在激振力矩作用下对轴心轨迹的仿真　由于曲轴在气缸激振力矩作用下作扭转运动，所以其平衡方程为　尬＋ｃ（）＋　＝Ｔ（　）　（１）　式中：，，Ｃ分别为转动惯量和扭转阻尼系数；ｋ为曲轴扭转刚度．取计算参数为，＝５．９×１０‘　ｋｇ・ｍ２，　ｋ＝２．３４×１０６　Ｎ・ｍ－ｒａｄ～．在这里ｃ用下式计算：　ｃ＝０．０６Ｉｃｏ　式中：　＝２　０００　ｒａｄ－Ｓ～．　利用上面得出的激振力矩数值代入方程（１）进行仿真，结果如图４所示．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　宋智辉：柴油机活塞一曲轴系统的动力学分析　圈４轴心轨迹　２分析结果及讨论　对单缸柴油机在气缸激振力作用下轴心轨迹的仿真，从其仿真结果可见轴心轨迹伴随曲轴转角具有　以下特点：　１）第一冲程——进气冲程．　活塞从上止点移动到下止点，曲轴转角从０。～１８０。，这时进气门打开，排气门关闭．当进气冲程开始　时，气缸内残留着上一工作循环未排净的残余废气，它的压力Ｐ，稍高于大气压力．从图２、图３中可以看出　气缸压强和扭转力矩比较平稳，基本上没有输出；相应地图４中轴　１５、＇轨迹为平滑的圆周曲线．　２）第二冲程——压缩冲程．　活塞从下止点移动到上止点，曲轴转角从１８０￣～３６５。，这期间进气门关闭．压缩冲程中，曲轴在飞轮惯　性作用下带动旋转，通过连杆带动活塞向上移动，气缸内气体容积逐渐减小，气体压缩，其压力和温度随之　升高．从图２中可以看出气缸压力在不断增大；而图３中激振力矩为负的最大，可见气缸在靠其自身惯性　压缩气体；图４中的轴心轨迹为逐渐减小的平滑圆周曲线．　３）第三冲程——作功冲程．　活塞从上止点移动到下止点，曲轴转角从３６５。一５４０￣，这期间进排气门仍然关闭．由于喷入气缸的燃　料在高温空气中着火燃烧，产生大量热能，使气缸的温度压力急剧升高．高温高压气体推动活塞向下移动，　通过连杆带动曲轴旋转．作功冲程中，缸内气体的最高温度　＝１　８００—２　２００　Ｋ．从图２中看出气缸压力从　最高值降到初值；而图３中气体激振力矩则是从最小值急增到最大值，由于激振力矩的急增使轴心轨迹也　出现阶跃现象；从图４可看出轴心轨迹从圆周运动瞬间转化为直线运动，这说明在这个过程中轴心运动很　剧烈，柴油机曲轴承受的激振力矩最大，因此在这一冲程中对柴油机的稳定性能要求最高，柴油机很容易　在这一冲程中出现失稳现象．　４）第四冲程——排气冲程．　活塞从下止点移动到上止点．此时排气门开启，进气门保持关闭．排气终了时的温度　＝７００—９００　Ｋ，　压强降为大气压强，其轴心轨迹恢复为圆周运动．　３　结论　本文通过对气缸激振力矩的仿真，研究了曲轴气缸内的压强变化情况，并根据压强的变化做出了激振　力矩和轴心轨迹的图示．此方法为以后激振力矩的研究提供了一种有效的手段，并对仿真结果进行了分　维普资讯 http://www.cqvip.com

・４・　兰州工业高等专科学校学报　第１３卷　析．结果表明：作用在曲轴上的激振力矩是引起柴油机轴心不规则运动的主要原因，也是决定系统稳定性　的主要原因之一．　参考文献：　［１］　程金林，郝志勇．一种车用高速柴油机曲柄连杆机构的动力学仿真分析［Ｊ］．汽车技术，２００１，（２）：５—８．　［２］王义亮，戴旭东．多缸内燃机主轴承的结构振动响应分析［Ｊ］．西安交通大学学报，２００２，３６（９）：９６５—９６６．　［３］王义亮，谢友柏．主轴承力作用下的多缸内燃机机体结构动力响应分析［Ｊ］．内燃机学报，２００２，２０（５）：４５９—４６４　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｉｓｔｏｎ—－ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅ　ＳＯＮＧ　Ｚｈｉ—ｈｕｉ　（Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｂｕｒｅａｕ，￣ｎｚｈｏｕ　７３００３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ，ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ｈａｓ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｓｔｍｃｔｕｒｅ　ｂｅａｒ　ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　ａｎｄ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｗｈｏｓｅ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ．Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｐｐｅａｒｓ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ。ｓｕｃｈ　ａｓ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｌａｔｅｒａｌ—ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｉｎ—ｄｅｐｔｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｌｏｃｕｓ　ｏｆ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｏｒｓｉｏｎ　ｍｏｍｅｎｔ，ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｎ　ｍｏｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ—ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ；ｔｏｒｓｉｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ