畢業(yè)設(shè)計V8發(fā)動機工作過程仿真分析論文

仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 畢 業(yè) 設(shè) 計 姓名 丘彬 院（系） 機電工程學院 專業(yè)班級 機械設(shè)計制造及其自動化 093 班 學 號 200910824309 指導(dǎo)教師 張日紅 職 稱 講師 論文答辯日期 2013 年 5 月 26 日 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院教務(wù)處制 學生承諾書 本論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的研究成果， 本學位論文的研究成果不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究內(nèi)容，如參考他人或集體的科研成果，均在文中以明確的方式說明，本人依法享有和承擔由此論文所 產(chǎn)生的權(quán)利和責任。 作者簽名： 日 期： 摘 要 發(fā)動機作為汽車最重要的部件之一，不僅有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，還暗藏著許多難懂的原理， 動機是發(fā)動機當中享有很高地位的一種，對于汽車愛好者，汽車使用者，汽車維修者等眾多人來說，掌握它的結(jié)構(gòu)跟原理是很具有現(xiàn)實意義的，此次畢業(yè)設(shè)計主要是基于 8發(fā)動機進行建模展示結(jié)構(gòu)，做運動仿真展示原理以及基于 件的 動機主要傳動部件的有限元分析。 形象地將結(jié)構(gòu)模型與工 作過程相結(jié)合共同闡述其工作原理。因此，做這個畢業(yè)設(shè)計不管從技術(shù)角度還是從時代要求的角度看都很具有意義的。論文將通過發(fā)動機的模型結(jié)構(gòu)（圖片）與工作過程相結(jié)合形象而直觀地展現(xiàn)其工作原理，更便于讀者去理解掌握。 關(guān)鍵詞 ： 運動仿真 有限元 目 錄 1 前言 . 1 研究背景 . 1 發(fā)動機的分類 . 1 . 2 研究目的及意義 . 4 2 . 4 總體結(jié)構(gòu) . 4 曲柄連桿機構(gòu) . 6 曲柄連桿機構(gòu)的建模 . 6 配氣機構(gòu) . 8 配氣機構(gòu)的建模 . 8 配氣機構(gòu)的原理解析 . 8 冷卻系統(tǒng) . 13 潤滑系統(tǒng) . 13 供給系統(tǒng) . 14 起動系統(tǒng) . 15 點火系統(tǒng) . 16 3 基于 8發(fā)動機運動仿真分析 . 16 . 16 . 19 基于 . 19 . 26 4 . 29 發(fā)動機曲軸的模態(tài)分析 . 29 曲軸部件模型的簡化 . 30 曲軸模型參數(shù)與邊界條件的設(shè)置 . 30 結(jié)果后處理分析 . 32 發(fā)動機連桿部件靜態(tài)分析 . 33 連桿部件模型的簡化 . 33 連桿部件模型參數(shù)與邊界條件的設(shè)置 . 34 結(jié)果后處理分析 . 35 1 1 前言 研究背景 發(fā)動機 的分類 我們都很清楚的知道一個事實，汽車就像電腦一樣不斷的普及，已經(jīng)成為家喻戶曉的一種交通工具，有汽車的 ” 心臟 ” 之稱的發(fā)動機也就不斷為我們所認識，所了解。但是，想要 更加清楚 的了解汽車發(fā)動機，我們很有必要去了解一下汽車發(fā)動機的分類，因為汽車發(fā)動機不僅種類繁多，分類方式也及其復(fù)雜。以下是汽車發(fā)動機 的各種分類： 按活塞運動方式分類：活塞式內(nèi)燃機可分為往復(fù)活塞式和旋轉(zhuǎn)活塞式兩種。前者活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，后者活塞在汽缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動。 按照進氣系統(tǒng)分類：內(nèi)燃機按照進氣系統(tǒng)是否采用增壓方式可以分為自然吸氣 (非增壓 )式發(fā)動機和強制進氣 (增壓式 )發(fā)動機。若進氣是在接近大氣狀態(tài)下進行的，則為非增壓內(nèi)燃機或自然吸氣式內(nèi)燃機 ；若利用增壓器將進氣壓力增高，進氣密度增大，則為增壓內(nèi)燃機。增壓可以提高內(nèi)燃機功率。 按照氣缸排列方式分類：內(nèi)燃機按照氣缸排列方式不同可以分為單列式、雙列式和三列式。單列式發(fā)動機的各個氣缸排成一列，一般是垂直布置的，但為了降低高度，有時也把氣缸布置成傾斜的甚至水平的。雙列式發(fā)動機把氣缸排成兩列，兩列之間的夾角 180( 一般為 90) 稱為 V 型發(fā)動機，若兩列之間的夾角=180 稱為對置式發(fā)動機。三列式把氣缸排成三列，成為 按照氣缸數(shù)目分類：內(nèi)燃機按照氣缸數(shù)目不同可以分為單缸發(fā)動機和多缸發(fā)動機。僅有 一個氣缸的發(fā)動機稱為單缸發(fā)動機；有兩個以上氣缸的發(fā)動機稱為多缸發(fā)動機。如雙缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸、十六缸等都是多缸發(fā)動機?，F(xiàn)代車用發(fā)動機多采用三缸，四缸、六缸、八缸發(fā)動機。 按照冷卻方式分類：內(nèi)燃機按照冷卻方式不同可以分為水冷發(fā)動機和風冷發(fā)動機。水冷發(fā)動機是利用在氣缸體和氣缸蓋冷卻水套中進行循環(huán)的 冷卻液 作為冷卻介質(zhì)進行冷卻的；而風冷發(fā)動機是利用流動于氣缸體 與氣缸蓋外表面散熱片之間的空氣作為冷卻介質(zhì)進行冷卻的。水冷發(fā)動機冷卻均勻，工作可靠，冷卻效果好，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代車用發(fā)動機。 2 按照行程分類：內(nèi)燃機按照完成一個工作循環(huán)所需的沖程數(shù)可分為四沖程內(nèi)燃機和二沖程內(nèi)燃機。把 曲軸 轉(zhuǎn)兩圈 (720) ，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運動四個沖程，完成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機稱為四沖程內(nèi)燃機；而把曲軸轉(zhuǎn)一圈 (360) ，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運動兩個沖程，完 成一個工作循環(huán)的內(nèi)燃機稱為二沖程內(nèi)燃機。汽車發(fā)動機廣泛使用四沖程內(nèi)燃機。 按氣門機構(gòu)種分類：側(cè)置氣門（ 動機、側(cè)置凸輪軸（ 動機、頂置凸輪軸（ 動機、可變氣門（ 動機 和 按燃油供應(yīng)方式分類：化油器發(fā)動機和電噴發(fā)動機 。 按照所用燃料分類：內(nèi)燃機按照所使用燃料的不同可以分為汽油機和柴油機。使用汽油為燃料的內(nèi)燃機稱為汽油機；使用柴油為燃料的內(nèi)燃機稱為柴油機。汽油機與柴油機比較各有特點；汽油機轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓縮比大， 熱效率高，經(jīng)濟性能和排放性能都比汽油機好。 V 型發(fā)動機發(fā)展歷史與技術(shù)特點 活塞發(fā)動機的氣缸分列在曲軸的兩側(cè)，在該方向上呈現(xiàn)出 種排列方式相較于水平直線排列的設(shè)計，可以減少發(fā)動機的長度，高度和重量。 是有一個角度，兩排汽缸之間的角度取決于汽缸的數(shù)量以及運作順暢的考量而有不同，比較常見的角度包括 60度與 90度。由于 V 型發(fā)動機的汽缸是朝外側(cè)傾斜，因此發(fā)動機上側(cè)的寬度較大。 最早 汽車 發(fā)動機是單缸的，后來有了直列多缸發(fā)動機， 現(xiàn) 了，他們設(shè)計的最早的 V 型發(fā)動機只有兩個氣缸，也就是 1905 年 車公司生產(chǎn)了世界上第一款裝備 動機的 轎 車 。 1902 年法國人 計了世界上第一款 1904年 動機概念在法國非常流行， 雷諾 制造了 1905年 勞斯萊斯 制造了 8發(fā)動機。 在問世十年時間里，雖然很多廠商都制造了 過這些 量很少，第一款大批量生產(chǎn)的 914 年開始生產(chǎn)的 凱迪拉克 的 第一次世界大戰(zhàn)中， 時 諾、 戴姆勒 和 邁巴赫 都生產(chǎn)了 于美國本土沒有收到第一次世界 3 大戰(zhàn)的波及， 汽車上應(yīng)用于 1916 年就開始了，為了爭奪美國豪華轎車第一把交椅，美國的帕卡德在 1916 年率先生產(chǎn)了裝備 動機的豪華轎車，凱迪拉克和 930年開始生產(chǎn)裝備 出于對更大 功率的渴望，在發(fā)動機設(shè)計上屢有創(chuàng)新的美國 司于1927年開始設(shè)計 動機，可惜一直等到 1931年才投產(chǎn)， 1930年凱迪拉克設(shè)計生產(chǎn)了自己的 動機和裝備這臺發(fā)動機的豪華轎車凱迪拉克 助于凱迪拉克 迪拉克從而成為美國第一豪華轎車品牌。 8 機械增壓發(fā)動機技術(shù)亮點 ： 用的 出功率高達 556 馬力，扭矩為 747牛 米，是凱迪拉克品牌有史以來動力最為強勁的發(fā)動機， 0小時加速僅需 。 系列擁有獨特設(shè)計的進氣格柵，可將進氣量提高一倍，從而實現(xiàn)高散熱性能。 壓器系統(tǒng)和先進的鋁合金汽 缸蓋。機械增壓器的旋轉(zhuǎn)內(nèi)部組件的新型設(shè)計擴展了其效率范圍，使得發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速下都具有平穩(wěn)寬廣的功率范圍。無論在低速還是在高速條件下，動力都是瞬間啟動、強勁和持續(xù)的。 凱迪拉克 :一直以來，凱迪拉克一直在致力于極致動力科技研發(fā)，而其動力系統(tǒng)真正開始于 1914 年，當時，凱迪拉克推出美國第一臺 8缸發(fā)動機，此發(fā)動機采用了恒溫控制的冷卻劑的流動，后來普遍被其他制造商所采用。十年后，凱迪拉克雙平面的 V - 8曲軸的發(fā)明為凱迪拉克在發(fā)動機技術(shù)上做出了又一重大突破。重新設(shè)計的 凱迪拉克 V 8 發(fā)動機的出現(xiàn)，標志著多缸發(fā)動機時代的到來。 1930年，凱迪拉克推出了世界上第一次用于客車使用的 V 16發(fā)動機， 一年，凱迪拉克推出了同一車型的 動機，相比起 60馬力， 產(chǎn)生 135 馬力。 1949 年底，凱迪拉克研制出了高壓縮比、頂置式氣門、輕型的 動機，它的出現(xiàn)為凱迪拉克以后的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。 1992年，通用汽車高級 8發(fā)動機誕生，采用全鋁結(jié)構(gòu)四頂置凸輪軸配氣系統(tǒng)，在當時 動機中技術(shù)和性能均處于領(lǐng)先地位。 之后，不斷有 V 型號的發(fā)動機在此基礎(chǔ)上研發(fā)創(chuàng)新，為 V 家 4 族的極致動力的高性能馬力奠定了堅實的基礎(chǔ)。 研究目的及意義 發(fā)動機是汽車的心臟，為汽車的行走提供動力 。 簡單講發(fā)動機就是一個能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，即將汽油 (柴油 )的熱能，通過在密封 汽缸 內(nèi)燃燒氣體膨脹時，推動 活塞 作功，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，這是發(fā)動機最基本原理。發(fā)動機所有結(jié)構(gòu)都是為能量轉(zhuǎn)換服務(wù)的，雖然發(fā)動機伴隨著汽車走過了 100 多年的歷史，無論是在設(shè)計上、制造上、工藝上還是在性能上、控制上都有很大的提高，其基本原理仍然未變，這是一個富于創(chuàng)造的時代，那些發(fā)動機設(shè)計者們，不斷地將最新科技與發(fā)動機融為一體，把發(fā)動機變成一個復(fù)雜的機電一體化產(chǎn)品，使發(fā)動機性能達到近乎完善的程度，各世界著名汽車廠商也將發(fā)動機的性能作為競爭 亮點 。 汽車的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性 都有著極大的進步空間 。 隨著發(fā)動機的迅速發(fā)展，數(shù)量的急劇增多必然帶來一系列問題，作為汽車最重要的部件之一，對發(fā)動機的保養(yǎng)維修必然是大家最關(guān)心的一個問題，而熟悉汽車發(fā)動機的結(jié)構(gòu)跟原理是保護和維修好汽車發(fā)動機的前提條件。因此，隨著汽車數(shù)量的增多，汽車使用者的普及，對汽車發(fā)動機的了解將會越來越普遍。 于汽車愛好者，汽車使用者，汽車維修者等眾多人來說，掌握它的結(jié)構(gòu)跟原理是很具有現(xiàn)實意義的，此次畢業(yè)設(shè)計主要是基于 8發(fā)動機進行建模展示結(jié) 構(gòu)，做運動仿真展示原理，形象地將結(jié)構(gòu)模型與工作過程相結(jié)合 共同闡述其工作原理，這樣就讓模型與原理文字形象直觀地結(jié)合在了一起 ， 更容易理解。 因此，做這個畢業(yè)設(shè)計不管從技術(shù)角度還是從時代要求的角度看都很具有意義的。論文將通過發(fā)動機的模型結(jié)構(gòu)（圖片）與工作過程相結(jié)合形象而直觀地展現(xiàn)其工作原理，更便于讀者去理解掌握。 2 動機的結(jié)構(gòu)建模與解析 總體結(jié)構(gòu) 汽油機由以下兩大機構(gòu)和五大系統(tǒng)組成，即由曲柄連桿機構(gòu)，配氣機構(gòu)、燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系組成。它是借由燃燒氣體產(chǎn)生動力經(jīng)過活塞連桿機 構(gòu)帶動曲軸進行旋轉(zhuǎn)。再通過鏈傳動進一步帶動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，從而使配氣系統(tǒng)循環(huán)工作，不斷燃燒氣體產(chǎn)生動力，從而使整個機構(gòu)實現(xiàn)循環(huán)。 本 5 次設(shè)計主要針對汽油機當中 動機進行研究 ， 內(nèi)燃機的汽缸排列型式之一 ，他的 8個氣缸分成兩組，每組 4個，成 而這次畢業(yè)設(shè)計，我主要是 基于 8發(fā)動機的主要部分 進行建模 ,這章我們將對 對一些結(jié)構(gòu)原理進行分析。 零件裝配圖如圖 2 圖 2動機總體裝配圖 動機的 主要運動部分是曲柄連桿機構(gòu)跟配氣機構(gòu)兩大機構(gòu)，除了這兩大機構(gòu)還包括五大系統(tǒng)，即 燃料供給系、潤滑系、冷卻系、點火系和起動系 ，這五大系統(tǒng)與兩大機構(gòu)相互配合工作，發(fā)動機各部分的位置結(jié)構(gòu)大致 如圖 2示： 6 圖 2發(fā)動機的刨切圖 曲柄連桿機構(gòu) 曲柄連桿機構(gòu)的建模 曲柄連桿機構(gòu)是發(fā)動機的主要傳動機構(gòu)， 他主要有汽缸體曲軸箱組，活塞連桿 組 和曲軸飛輪組組成。他的作用主要是 把高壓氣體作用在活塞頂部 的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的扭矩，通過傳動系傳給驅(qū)動輪（ 即進行熱功轉(zhuǎn)換 ） 。其中曲柄連桿機構(gòu)的零件裝配圖如圖 2 圖 2曲柄連桿機構(gòu)裝配 7 （ 1）活塞連桿組，作用是將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運動的機械能，再通過連桿將活塞的往復(fù)運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出功率。其 具體 結(jié)構(gòu)如圖 2 圖 2活塞連桿組 (2)曲軸飛輪組，功用是把活塞、連桿傳來的氣體作用力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩， 用于驅(qū)動汽車的傳動系統(tǒng)和發(fā)動機的配氣機構(gòu)以及其他輔助裝 置。其具體 結(jié)構(gòu)如圖 2 圖 2曲軸飛輪組 8 配氣機構(gòu) 配氣機構(gòu)的建模 配氣機構(gòu)是 汽車發(fā)動機的主要機構(gòu)，配氣機構(gòu)主要作用是 按照發(fā)動機各缸的作功順序和每一汽缸工作循環(huán)的要求，定時開啟和關(guān)閉各汽缸的進、排氣門，配合發(fā)動機各缸實現(xiàn)進氣、壓縮、作功和排氣的工作過程。配氣機構(gòu)主要由氣門組和氣門傳動組組成。 其中氣門組跟氣門傳動組 的主要結(jié)構(gòu) 如圖 2示： 圖 2配氣機構(gòu) 配氣機構(gòu)的原理解析 1 配氣相位 “配氣相位”是發(fā)動機（每個汽缸）的進、排氣門從開啟（時刻）到關(guān)閉（時 刻）曲軸所旋轉(zhuǎn)的角度。在配氣凸輪軸的凸輪形線不變的情況下，進、排氣門從開啟到關(guān)閉曲軸旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)量（即進、排氣門的總開啟角度）是不變的。 9 圖 2(1)氣持續(xù)角 從圖 2發(fā)動機在工作過程 中，排氣門在做功行程活塞到達下止點前一定距離時開啟，即排氣門提前開啟，把此時曲柄與活塞位于下止點時曲柄之間的夾角叫做“排氣提前角”，用“ ”表示（一般為 40 80）；而在排氣行程活塞越過上止點一定距離后排氣門才關(guān)閉，即排氣門延遲關(guān)閉，把此時曲柄與活塞位于上止點時曲柄之間的夾角叫做“排氣延遲角”，用“ ”表示（一般為 10 45）。進氣門在排氣行程活塞到達上止點前一定距離時開啟，即排氣門提前開啟，把此時曲柄與活塞位于 上止點時曲柄之間的夾角叫做“進氣提前角”，用“ ”表示（一般為 10 45）；而在進氣行程活塞越過下止點一定距離后進氣門才關(guān)閉，即進氣門延遲關(guān)閉，把此時曲柄與活塞位于下止點時曲柄之間的夾角叫做“進氣延遲角”，用“ ”表示（一般為 40 80）。 排氣門從開啟（氣門升程 1關(guān)閉（氣門還有 1軸所旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)叫做“排氣持續(xù)角”；進氣門從開啟（氣門升程 1關(guān)閉（氣門還有 1程）曲軸所旋轉(zhuǎn)的角度數(shù) 叫做“進氣持續(xù)角”。如圖 2 2 10 圖 2進氣跟排氣各種角的示意圖 圖 2進氣跟排氣各種角的示意圖 進、排氣門提前開啟和延遲關(guān)閉的目的是改善進、排氣狀況，使排氣干凈、進氣充足，以提高發(fā)動機的動力性能和降低燃油消耗。 （ 2） 從圖 2排氣行程活塞位于上止點時，由于進氣門提前開啟、排氣門延遲關(guān)閉，使進、排氣門同時開啟著。稱為“氣門疊開”。從進氣門開啟時曲柄與排氣門關(guān)閉時曲柄之間的夾角 （曲軸所旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)），“ ”與“ ”之和稱為“氣門重疊角” 。 11 2 配氣正時 一臺發(fā)動機的“配氣相位”，是根據(jù)該發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、性能等要求特性，在設(shè)計制造時通過試驗和計算確定的，由配氣凸輪的形線決定。為保證進、排氣門的提前開啟角正確，必須在安裝配氣凸輪軸時，使凸輪軸相對于曲軸的角度正確，這就是“配氣正時”?！芭錃庹龝r”，是指配氣機構(gòu)與曲軸連桿機構(gòu)的動作必須協(xié)調(diào)一致，以保證發(fā)動機能正常運轉(zhuǎn)。氣門在活塞處于什么位置時開啟（或關(guān) 閉），在凸輪形線確定的情況下，由配氣機構(gòu)傳動機件、凸輪軸安裝時相對于曲軸的角度決定。 在多缸機型中，幾個活塞不同時到達上止點，故有兩個或兩個以上止點標記如圖 2 圖 2上止點標記示意圖 另一對標記表示活塞位于壓縮行程上止點時，進、排氣門應(yīng)處在同時關(guān)閉的位置，其動標記通常設(shè)在從動鏈輪上或凸輪軸端面上，靜標記或設(shè)在汽缸頭上或 以凸輪軸軸承座孔剖分面為標記，如圖 2 2 12 圖 2動標記位置示意圖 圖 2靜標記位置示意圖 用齒輪傳動的配氣機構(gòu)，其動、 靜標記則設(shè)在兩嚙合的齒輪上，如圖 2 圖 2對準標記 正常情況下，只要將上述兩對標記同時對準后進行安裝，就能保證配氣正時； 也只有將上述兩對標記同時對準后進行安裝，才能保證配氣正時。 13 冷卻系統(tǒng) 他的冷卻系統(tǒng)主要由 水套、水泵、散熱器、風扇、節(jié)溫器等組成。冷卻系的功用是將受熱零件吸收的部分熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。 水泵的零件 裝配 圖如圖 2 圖 2水泵 潤 滑系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng)主要 由機油泵、集濾器、限壓閥、油道、機油濾清器等組成。 其 功用是向作相對運動的零件表面輸送定量的清潔潤滑油，以實現(xiàn)液體摩擦，減小摩擦阻力，減輕機件的磨損。并對零件表面進行清洗和冷卻。 油泵的零件裝配圖如圖 2 14 圖 2油泵跟油管 供給系統(tǒng) 供給系統(tǒng)主要由 汽油濾清器 、 進氣歧管 、 排氣歧管 等組成。電控燃油噴射式由空氣供給系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)組成。汽油機燃料供給系的功用是根據(jù)發(fā)動機的要求，配制出一定數(shù)量和濃度的混合氣，供入氣缸，并將燃燒后的廢氣從氣缸內(nèi)排出到大氣中去； 進氣管跟排氣歧管的零件如圖 2 2 圖 2進氣歧管 15 圖 2排氣歧管 起動系統(tǒng) 主要 由起動機及其附屬裝置組成。功能：要使發(fā)動機由靜止狀態(tài)過渡到工作狀態(tài)，必須先用外力轉(zhuǎn) 動發(fā)動機的曲軸，使活塞作往復(fù)運動，氣缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒膨脹作功，推動活塞向下運動使曲軸旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機才能自行運轉(zhuǎn)，工作循環(huán)才能自動進行。因此，曲軸在外力作用下開始轉(zhuǎn)動到發(fā)動機開始自動地怠速運轉(zhuǎn)的全過程，稱為發(fā)動機的起動。完成起動過程所需的裝置，稱為發(fā)動機的起動系。 本次設(shè)計主要對電機進行了模型的建造， 電機的零件圖如圖 2 圖 2電機 16 點火系統(tǒng) 主要由 統(tǒng)式由蓄電池、發(fā)電機、點火線圈、斷電器、火花塞等組成。功能：在汽油機 中，氣缸內(nèi)的可燃混合氣是靠電火花點燃的，為此在汽油機的氣缸蓋上裝有火花塞，火花塞頭部伸入燃燒室內(nèi)。能夠按時在火花塞電極間產(chǎn)生電火花的全部設(shè)備稱為點火系。 由于本次設(shè)計主要是針對 工作過程的仿真，并未對火花塞等一些與運動過程無關(guān)的小零件進行建模。 3 基于 動機 運動仿真分析 動機的基本原理介紹 它是借由燃燒氣體產(chǎn)生動力經(jīng)過活塞連桿機構(gòu)帶動曲軸進行旋轉(zhuǎn)。再通過鏈傳動進一步帶動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，從而使配氣系統(tǒng)循環(huán)工作，不斷燃燒氣體產(chǎn)生動力，從而使整個機構(gòu)實現(xiàn)循環(huán)。 他的工作過程主要由四部分組成，即 進氣、壓縮、作功、排氣四個行程。 1 進氣行程 活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。此時排氣門關(guān)閉，進氣門開啟。在活塞移動過程中，氣缸容積逐漸增大，氣缸內(nèi)形成一定的真空度?？諝夂?所示汽油的混合物通過進氣門被吸入氣缸，并在氣缸內(nèi)進一步混合形成可燃混合氣。如圖 3 圖 3進氣行程 17 2 壓縮行程 進氣行程結(jié)束后，曲軸繼續(xù)帶動活塞由下止點移至上止點。這時，進、排氣門均關(guān)閉。隨著活塞移動，氣缸容積不斷減小，氣缸內(nèi)的混合氣被壓縮，其壓力和溫度同時升高。 如圖 3 圖 3壓縮行程 3 作功行程 壓縮行程結(jié)束時，安裝在氣缸蓋上的火花塞產(chǎn)生電火花，將氣缸內(nèi)的可燃混合氣點燃，火焰迅速傳遍整個燃燒室，同時放出大量的熱能。燃燒氣體的體積急劇膨脹，壓力和溫度迅速升高。在氣體壓力的作用下，活塞由上止點移至下止點，并通過連桿推動曲軸旋轉(zhuǎn)作功。這時，進、排氣門仍舊關(guān)閉。 如圖 3 18 圖 3作功行程 4 排氣行程 排氣行程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關(guān)閉，曲軸通過連桿帶動活塞由下止點移至上止 點，此時膨脹過后的燃燒氣體 (或稱廢氣 )在其自身剩余壓力和在活塞的推動下，經(jīng)排氣門排出氣缸之外。當活塞到達上止點時，排氣行程結(jié)束，排氣門關(guān)閉。 如圖 3 圖 3排氣行程 19 動機的運動仿真分析 基于 動機 運動仿真過程 發(fā)動機 主要運動部分 包括曲柄連桿機構(gòu)跟配氣機構(gòu)，此次仿真主要針對發(fā) 動機的主要運動部分進行仿真，因此對一些與仿真無關(guān)的零件進行隱藏處理， 他主要運動部分 零件裝配圖如圖 3 圖 3主運動部 分裝配圖 1 裝配圖的導(dǎo)入 : 首先我們在 件下打開如圖 38發(fā)動機裝配圖，在【啟動】目錄下打開【運動仿真】選項， 在【運動導(dǎo)航器】上右擊裝配文件名，在彈出的【環(huán)境】對話框中選擇【動力學】，單擊【確定】按鈕。在彈出的【機構(gòu)運動副向?qū)А繉υ捒蛑袉螕簟敬_定】按鈕，把裝配圖中的構(gòu)件自動轉(zhuǎn)換成連桿，裝配關(guān)系映射成仿真模塊里的 運動副。在彈出的【主模型到仿真的配對條件轉(zhuǎn)換】對話框中選擇【 是 】 。 2 連桿的設(shè)置 : 由于如圖 3示的裝配圖中，有很多零件時不涉及運動但是在步驟 1 里面也被轉(zhuǎn)換成了連桿，因此 我 把連 桿 都 刪除掉，重新進行 連桿 設(shè)置。 涉及運 動的部件 數(shù)量 總結(jié)為 如 表 3連桿設(shè)置情況如圖 3 20 表 3運動部件數(shù)量總結(jié)表 單位 :個 曲軸 凸輪軸 連桿 活塞 搖桿 氣門 總共 1 2 8 8 16 16 51 圖 3連桿設(shè)置信息 欄 3 添加運動副 : 選擇【運動導(dǎo)航器】下的 的 每個運動副與裝配圖對照，由于這些運動副都是自動轉(zhuǎn)化得到的，因此，很多是不正確的，為了避免工作的繁瑣我把這些運動 副都刪掉了，重新對運動部件進行一個個添加運動副。 以下是各個運動副 詳細 的添加情況： （ 1） 左一 連桿與曲軸之間添加 的 旋轉(zhuǎn)副如圖 3示，右一連桿與曲軸添加的旋轉(zhuǎn)副跟左一連桿與曲軸之間的旋轉(zhuǎn)副類似，就指定矢量的方向是相反的。如圖3 21 圖 3連桿與曲軸之間的旋轉(zhuǎn)副 圖 3連桿與曲軸之間的旋轉(zhuǎn)副 （ 2） 連桿與活塞之間添加的旋轉(zhuǎn)副如圖 3余七個連接也是一樣，運動情況相同，故也是添加旋轉(zhuǎn)副。 22 圖 3連桿與活塞之間的旋轉(zhuǎn)副 （ 3） 對 活塞 固定 滑動副如圖 3共有八個活塞，他們的添加情況也是一樣。 圖 3活塞自身的固定滑動副 (4)對一個曲軸跟兩個凸輪軸自身添加一個 固定 旋轉(zhuǎn)副，因為他們都是自身轉(zhuǎn)動，所以在添加過程中我們不選嚙合齒輪，其旋轉(zhuǎn)副分別如圖 3 23 圖 3曲軸自身的旋轉(zhuǎn)副 圖 3凸輪軸自身的旋轉(zhuǎn)副 （ 5）對氣門自身添加固定滑動副，如圖 3示，一共有 16 個氣門，由于他們運動情況一樣，因此都是添加固定滑動副。 24 圖 3氣門自身的固定滑動副 （ 6）對搖桿添加固定旋轉(zhuǎn)副，如圖 3示，搖桿跟氣門的個數(shù)一樣 16 個，而且他們的運動情況也相同，所以都添加固定旋轉(zhuǎn)副。 圖 3搖桿自身的固定滑動副 我們一共添加了 58個 各種類型的 運動副，運動副添加情況如圖 3 25 圖 3運動副添加信息 欄 在添加好運動副之后 我們可以進行運動規(guī)律的仿真，右擊【運動導(dǎo)航器】上的仿真項目 ，新建解算方案，在解算方案里面我們根據(jù)自己需要的時間跟步數(shù)設(shè)置好之后確定就可以進行求解了。 仿真界面如圖 3 圖 3仿真界面 26 動機的運動仿真結(jié)果分析檢驗 火間隔為 908720 ， 4個曲拐互成 90 ， 如圖 3根據(jù)表 3作順序大概 可以分為 兩 種 ： 32234411 和13223441 。 由 表 3們可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的各個氣缸內(nèi)每經(jīng)歷一個工作行程曲軸將旋轉(zhuǎn) 180，也就是說發(fā)動機 各個氣缸內(nèi) 每經(jīng)歷四個完整的行程曲軸將旋轉(zhuǎn) 7204180 。 圖 3動機缸體與曲拐的示意圖 表 3四沖程 動機工作情況 曲軸轉(zhuǎn)角（） 2 4 2 4 0功 作功 排氣 壓縮 壓縮 進氣 排氣 進氣 90氣 進氣 作功 壓縮 18080氣 作功 壓縮 進氣 270氣 壓縮 排氣 作功 36060氣 排氣 作功 壓縮 450縮 作功 進氣 排氣 54040縮 進氣 排氣 作功 630功 排氣 壓縮 進氣 27 我們根 據(jù)曲軸所轉(zhuǎn)過的角度來設(shè)置時間，以曲軸轉(zhuǎn)過 0作為時間的起始點 0，當曲軸每次轉(zhuǎn)過 90記一個時間單位 T。 1 首先我們以第一缸右 的做功行程為例分析其他七個氣缸的工作情況 ， 一個行程曲軸將轉(zhuǎn)過 180，根據(jù)表 3，我們將分析在時間段 0 到 2T 之間各個缸體的工作情況。根據(jù)發(fā)動機的工作順序 32234411 ，我們可以總結(jié)出各個缸體的工作情況所示如表 3 表 3氣缸在 0的工作狀態(tài) 2 4 2 4 0功 排氣 作功 壓縮 壓縮 排氣 進氣 進氣 功 進氣 排氣 壓縮 作功 排氣 進氣 壓縮 我們把裝配好的 動仿真中，我們以 第一右缸的作功行程即在時間 0 為研究對象 ， 仿真圖片如圖 3仿真中我們可以得到各個缸體的工作情況如下 : (1) 縮 行程， (2) 這與表 3明仿真 符合實際 。 28 圖 30各氣缸 工作 情況 2 對第一左缸的作功行程分析 其他七個缸體的工作情況 ， 由表 3知，第一左缸作功行程即為曲軸轉(zhuǎn)過 90到 270的過程，就是說我們將研究時間段各個氣缸的工作情況。根據(jù)發(fā)動機的工作順序32234411 ，我們可以總結(jié)出各個缸體的工作情況所示如表 3 表 3氣缸在 的工作狀態(tài) 2 4 2 4 功 進氣 排氣 壓縮 作功 排氣 進氣 壓縮 2氣 進氣 排氣 作功 作功 進氣 壓縮 壓縮 我們把裝配好的 動仿真中，我們以第一右缸的作功行程即在時間 0為研究對象，仿真圖片如圖 3 仿真中我們可以得到各個缸體的工作情況如下 : (1) 功 行程， 縮 行程 , 29 功 行程， 氣 行程， 氣 行程， 縮 行程。 (2) 氣 行程， 縮 行程， 氣 行程， 功 行程。 這與表 3明仿真 符合實際 。 圖 3各氣缸工作情況 按照步驟（ 1） (2)針對其他六個缸 體的作功行程依據(jù)同樣的方法進行檢驗，都符合實際， 在此將不一一列舉。 4 動機的主要傳動部件的有限元分析 發(fā)動機曲軸的模態(tài)分析 曲軸作為一個復(fù)雜的彈性連續(xù)體，它對發(fā)動機 有著重要的影響。在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)中，曲軸的扭轉(zhuǎn)振動往往成為曲斷裂的主要原因。要設(shè)計一款曲軸，必須考慮其振動、噪聲等特，而對曲軸的模態(tài)分析卻是必不可少的。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域的應(yīng)用。態(tài)是機械結(jié)構(gòu)固有振動特性， 每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、振型，這些參數(shù)可以由計算或試驗取得。討論的是模態(tài)分析中的計算模態(tài)分析。曲軸在工作過程中不斷的受到復(fù)雜的交變的沖擊載荷激勵，隨之產(chǎn)生了橫向、縱向以及扭轉(zhuǎn)振動，當某 30 一激勵力的頻率和曲軸其中一階固有頻率相同或者相近時，產(chǎn)生軸系的共振，這足以導(dǎo)致曲軸的疲勞斷裂。對曲軸的模態(tài)分析是對曲軸的振動特性分析，為振動故障及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。自由模態(tài)分析反應(yīng)了曲軸剛體的固有特性，而約束模態(tài)分析更能夠模擬曲軸安裝在發(fā)動機缸體中所表現(xiàn)的固有特性。利用了有限元方法對 動機曲軸進行了約 束模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。 曲軸 部件 模型的 簡化 此項目 以 共有 4個連桿軸頸和 5個主軸頸 ， 其主要尺寸參數(shù)如下 : 主軸頸長度為 26 主軸頸直徑為 67 曲柄銷長度為50 曲柄銷直徑為 53 文通過在 維實體設(shè)計軟件中建立曲軸的模型 , 然后導(dǎo)入到 簡化了三維實體建模的工作量。 由參考文獻 7知 , 在進行曲軸實體建模時 , 為使有限元網(wǎng)格化與實體結(jié)構(gòu)一致 , 保證計算結(jié)果的模態(tài)特性 , 在不影響結(jié)構(gòu)動 態(tài)特性的原則下 , 對曲軸體內(nèi)小尺寸的結(jié)構(gòu)進行了省略簡化處理 , 建成的曲軸三維實體模型如圖 4： 圖 4曲軸的簡化 三維 模型 曲軸模型參數(shù)與邊界條件的設(shè)置 1 模型參數(shù)的設(shè)置 進行模態(tài)分析前曲軸的材料參數(shù)設(shè)置， 材料參數(shù)設(shè)置如表 4 31 表 4材料特性 材料 40性模量 200松比 度 7850kg/m 2 網(wǎng)格劃分 進入 塊進行網(wǎng) 格劃分，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小合適，單元尺寸設(shè)置為 有 47912個節(jié)點， 29413個有限單元，有限 元模型 如圖4示。 圖 4曲軸的有限元模型 3 添加約束 在對整體曲軸進行計算模態(tài)分析時，采用不同的約束對分析結(jié)果將會產(chǎn)生直接的影響，邊界條件不同，所求得的模態(tài)參數(shù)也不同。針對發(fā)動機實際運行情況，曲軸受到主軸承和縱向止推軸承的約束，縱向止推軸承可以有效防止曲軸的軸向竄動，保證連桿活塞組正常工作。該曲軸有 5 個主軸頸，模擬 實際情況對曲軸的5個主軸頸分別施加無摩擦約束（ 即軸頸表面徑向的對稱約束。為控制發(fā)動機在工作時曲軸的軸向竄動，在曲軸上設(shè)置有軸向定位裝置。但是又要保證曲軸在受熱膨脹時有一定的 自由伸長量 ，所以曲軸上只能有一處軸向定位。為模擬軸向定位約束，在曲軸后端面施加了軸向位移約束，即： X=0。 32 結(jié)果后處理 分析 由于曲軸的低階模態(tài)才對曲軸的振動分析有實際的參考價值 5，利用有限元軟件求得了曲軸前 6階（ n=6）模態(tài)，其中曲軸第 1 階模態(tài)固有頻率為 0，為剛體的轉(zhuǎn)動模態(tài)， 對剛體的振動分析沒有實際意義。各階固有頻率，如表 4示。表中： n 模態(tài)的階次； 曲軸的固有頻率。 表 4前六階固有頻率參數(shù) (單位： n 1 2 3 4 5 6 （ 0 用 出曲軸前 6 階的振型。 在此我選擇了比 較有代表性的第 3、 4、 5階的振型圖進行分析，如圖 4。從振型圖可以看出，第 3 階固有頻率下發(fā)生曲軸的縱向彎曲振動，第二主軸頸上的平衡塊變形較大 ； ；第 4階發(fā)生縱向彎曲振動，如圖 4示。其中第四主軸頸上的平衡塊變形較大；第5 階發(fā)生曲軸的橫向彎曲振動，如圖 4示。第四主軸頸部位平衡塊變形較大 。 圖 4第三階振型圖 33 圖 4第四階振型圖 圖 4第五階振型圖 發(fā)動機 連桿部件靜態(tài) 分析 連桿是內(nèi)燃機組成的重要傳動零件之一 , 其作用是連接活塞與曲軸 , 將作用在活塞上的力傳給曲軸 , 使活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動 , 對外輸出做功。連桿工作時 , 小端作往復(fù)運動 , 大端作旋轉(zhuǎn)運動 , 桿身作復(fù)雜的平面運動 , 因此連桿的受力情況十分復(fù)雜 。連桿也是承受負荷最嚴重的零件之一 , 同時承受活塞傳來的氣體壓力、往復(fù)慣性力和本身擺動時所產(chǎn)生的慣性力作用。連桿一旦出現(xiàn)彎曲和扭曲 , 會產(chǎn)生活塞拉缸外 , 還會導(dǎo)致活塞、 汽缸、曲軸等機件出現(xiàn)不正常的磨損 , 很容易引起疲勞破壞而斷裂 , 從而造成極嚴重的后果。 因此， 對連桿的優(yōu)化設(shè)計尤為重要，而 對連桿部件進行靜態(tài)分析可以為連桿的優(yōu)化設(shè)計等提供理論依據(jù)。 連桿 部件 模型的 簡化 此項目 以 研究對象 , 其主要尺寸參數(shù)如下 :連桿小頭端內(nèi)直 34 徑 22直徑 30桿大頭端內(nèi)直徑 57直徑 67桿長 104在維模型保存為 件，接著導(dǎo)入 。在不影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的原則 下 , 對曲軸體內(nèi)小尺寸的結(jié)構(gòu)進行了省略簡化處理 , 建成的曲軸三維實體模型如圖 4： 圖 4連桿的簡化三維模型 連桿部件 模型參數(shù)與邊界條件的設(shè)置 1 模型參數(shù)的設(shè)置 進行靜態(tài) 分析前曲軸的材料參數(shù)設(shè)置， 材料參數(shù)設(shè)置如表 4 表 4材料特性 材料 40性模量 200松比 度 7850kg/m 2 網(wǎng)格劃分 進入 塊進 行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小合適，單元尺寸設(shè)置為 有 10929個節(jié)點， 6089個有限單元，有限 元模型 如圖 4示。 35 圖 4連桿的簡化三維模型 3 約束條件和施加 載荷 邊界條件施加與工程實際是否吻合直接影響到分析結(jié)果的正確性 、 合理性 。在實際工程中 , 汽車連桿的大頭孔是與軸承配合的 , 而小頭孔的 90 范圍內(nèi)受到面壓力的作用 。 “ 中選取大圓孔的內(nèi)表面以及 Y = 0 的所有面施加對稱約束 , 在小孔的內(nèi)表面上施加 面壓力 ,本次項目直接在連桿上施加均布載荷的方法，施加力為 束跟載荷的施加情況如圖 4 圖 4約束跟載荷的施加 結(jié)果 后處理分析 連桿應(yīng)力分析云圖、應(yīng)變分析云圖跟總變形分析云圖分別如圖 4 4 4示，從圖 4們可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最大處出現(xiàn)在小頭端與桿身的接觸 36 部分， 從圖 4而從總變形分析云圖里面可以看出最大變形在小頭桿內(nèi)表面。 圖 4連桿應(yīng)力分析云圖 圖 4連桿應(yīng)變分析云圖 圖 4連桿總變形云圖 37 結(jié) 語 端 發(fā)動機中的一種，不僅有著 復(fù)雜 的結(jié)構(gòu)，還隱藏著 眾多原理， 此次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)主要體現(xiàn)在三個部分， 基于 8發(fā)動機進行建模展示結(jié)構(gòu)， 基于 8發(fā)動機主要傳動部件進行 有限 元分析。 第一部分，根據(jù)建好的模型對發(fā)動機的主要機構(gòu)進行圖文展示以及對一些結(jié)構(gòu)進行解析，便于讀者了解相關(guān)的部件名稱，掌握部件相應(yīng)的功能等等。第二部分，把裝配好的主要運動部分進行仿真，論文展示了詳細的仿真過程，如裝配體的導(dǎo)入 ，連桿的設(shè)置，運動副的設(shè)置，為了檢驗仿真正確性還對仿真過程進行了檢驗分析，通過仿真里面各個缸體的工作情況跟理論工作情況進行對比，讓仿真更具有說服力。第三部分，對曲軸跟連桿進行有限元分析，我們都知道曲軸跟連桿是發(fā)動機中最主要的傳動部件，對他們進行有限元分析時意義重大，可以為連桿跟曲軸的優(yōu)化設(shè)計 提供有力的理論。 通過此次畢業(yè)設(shè)計，不僅充實了我對發(fā)動機的知識， 提高了我對 習了一些新軟件的使用。 更讓我學習到了 發(fā)現(xiàn)問題、 多 分析問題和解決問題的能力 。 38 參 考 文 獻 1 譚本忠 看圖學修汽車發(fā)動機機械系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社， 2012 2 陳新亞汽車構(gòu)造透視圖典 :發(fā)動機與變速器機械工業(yè)出版社， 2012 3 陳家瑞汽車構(gòu)造機械工業(yè)出版社， 2009 4 應(yīng)華 ， 熊曉萍 ， 姜春曉 X 械設(shè)計完全自學手冊 機械工業(yè)出版社 ， 2008 5 黃志新 ， 劉成柱 人民郵電出版社 ， 2013 6 張晉西 ， 張甲瑞 ， 郭學琴 清華大學出版社 ，2012 7 李松波 ， 馬星國 ， 韓輝 . 發(fā)動機曲軸的模態(tài)分析 J . 沈陽工業(yè)學院學報 ， 2008， 22（ 4） : 728 楊國旗 ， 虞彪 A 2011， （ 10）： 239 徐建全 ， 鄭秋文 體建模和有限元分析 A. 福建工程學院學報 ， 2008， （ 6）： 7310 徐中華 ， 張茜 ， 程偉 G 和 四缸曲軸有限元模態(tài)分析 A 2009， （ 4）： 1811 張宏遠 ， 龐麗麗 ， 楊曉雨 . 六缸發(fā)動機曲軸模態(tài)分析 A 2008， （ 15）： 60. 39 as of of a is a of is is 8 G to to It is to to it is a of of of to it it is to 40 致 謝 通過幾個月的 學習跟忙碌，此次畢業(yè)設(shè)計也將結(jié)束了，在做這個畢業(yè)設(shè)計過程中，由于對發(fā)動機這方面的知識 比較欠缺， 資料也是比較泛，經(jīng)常會缺乏思路找不到方向 ， 遇到了很多難題。在此，我要感謝張日紅老師的幫助，還有跟我一起學習的同學，讓我順利完成了此次畢業(yè)設(shè)計。 在畢業(yè)設(shè)計過程中，遇到了許多困難與問題 。 首選 ， 我想感謝指導(dǎo)老師的悉心的幫助跟指導(dǎo)，當思路不清晰是給我方向，悉心教我學習軟件，在論文的撰寫過程中也給了許多寶貴的建議跟意見，這些不僅讓我感受到了老師扎實的專業(yè)知識，更讓我體會到了老師耐心的教學態(tài)度 ，我也將會以老師這些優(yōu)良的品質(zhì)為榜樣，在今后的學習跟工作中更加積極努力。我還想感謝跟我一起學習探討的同學，在你們的陪 伴下也讓我的畢業(yè)設(shè)計過程充滿了樂趣