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柴油机曲柄连杆机构分析与特斯拉发动机王方春付敬民吴仪杨鹏号张春1.1选题目的本题涵盖本学期所学重要知识能有效的巩固本学期所学内容题目的易懂性现实可操作性1.2主要内容采用三维实体建模，进行柴油机曲柄连杆机构多刚体运动学仿真和有限元分析技术。采用三维实体建模，进行柴油机曲柄连杆机构多刚体运动学仿真和有限元分析技术。1.3主要步骤(1)运用三维建模软件CATIA参照4105型柴油机曲柄连杆机构各部分的实际尺寸进行零件建模及模型的装配。并在CATIA中进行模型简单的运动仿真，从而校验装配体模型各构件之间是否存在干涉；(2)将CATIA中完成的柴油机曲柄连杆机构装配体模型导入ADAMS中,对模型施加载荷和约束，从而建立机构的多刚体动力学仿真模型，并在ADAMS中对多刚体模型完成运动学仿真分析工作。(3)在ANSYS中对连杆进行有限元可靠性分析，找出连杆在工作过程中最易损坏的部位，并对易损部位进行结构上的改进。2.1运动学理论分析活塞位移X活塞速度V活塞加速度a连杆摆动角位移β连杆的角速度ω1连杆的角加速度3.1几何建模方法本文所研究的4105型柴油机曲柄连杆机构主要包括以下几个组成部分：活塞组件、连杆组件、曲轴组。考虑到几何建模和分析研究的方便，本文中活塞组件只建立活塞和活塞销，将连杆组的部件建为一个整体，曲轴组件也建成一个整体。柴油机曲柄连杆机构各构件实体模型建立完成之后，根据机构中各部件的实际相对位置，利用CATIA的零部件的装配功能，完成机构模型的装配。3.2CATIA中曲轴的三维建模曲轴的几何模型3.3CATIA中活塞的几何建模活塞几何建模3.4CAITA中连杆的几何建模连杆的几何建模3.5曲柄连杆机构装配模型曲柄连杆机构装配模型4.1多刚体模型的建立在CATIA中将4105型柴油机曲柄连杆机构的装配体模型建立完成之后，就可以将其导入ADAMS中进行进一步的处理。首先，将CATIA中的曲柄连杆机构装配体模型以后缀为.igs的文件名导出，然后将此文件导入ADAMS中。将模型导入ADAMS后，还需要进行以下几步工作，才能完成对4105型柴油机曲柄连杆机构多刚体模型的建立。4.2各部件材料属性的确定导入ADAMS的几何模型，需要添加材料属性参数，否则计算过程中就会出现错误。赋予材料属性后，ADAMS软件会自动计算出构件的质量、转动惯量和质心的位置。在本文中将所有部件均设为合铸铁，密度为7.08X10^-6kg/mm3，弹性模量为1.0X10^5N/mm2,泊松比为0.211。4.3各部件之间运动约束的确定各运动部件之间的约束关系为：1.活塞与汽fcl体之间为移动副（Translation)；2.连杆小端与活塞销之间为旋转副（Revolute)：3.连杆大端与曲柄之间为旋转副（Revolute)；4.曲轴与气虹体之间为旋转副（Revolute)；4.4驱动力的加载考虑到活塞与曲轴开始无角度差，因此不方便加载荷到活塞处，此处便模拟曲轴恒定转速时各部件的动力特性。加载曲轴转速2000r/mim。Adams模型的建立4.5adams中曲柄连杆机构仿真设置柴油机曲轴以恒定转速运行，对曲轴施以工况为转速n=2000r/min时的旋转激励，输入运动的位置参数表达式12000deg/s。仿真时间设定为0.06s，即运转的两个周期，仿真步数设置为1550步，得到的分析结果如下：活塞位移曲线活塞速度曲线活塞加速度曲线活塞速度、位移、加速度连杆位移、速度、加速度连杆x方向位移连杆y方向位移连杆z方向位移连杆合位移上图中连杆的位移曲线，依次为X、Y、Z轴及合位移曲线，从图中可以看出，X轴上基本上没有发生位移变化，主要是因为连杆为刚性体，无论是连杆小端随着活塞作往复直线运动，还是连杆大端随着曲轴作旋转运动，在X轴方向都没有发生偏移，只是在yz平面上出现位移波动。一缸活塞竖直方向位移二缸活塞竖直方向位移三缸活塞竖直方向位移四缸活塞竖直方向位移四缸活塞位移根据4105型柴油机曲柄连杆机构尺寸，运用CATIA与ADAMS建立其多刚体动力学仿真模型，并在ADAMS中对其进行了多刚体动力学仿真分析，研究了其活塞位移、速度、加速度，连杆角位移、角速度、角加速度等方面的运动学特性，仿真结果和实际结果有些许偏差，但大致相同，说明建模合理性。导致此结果有以下几点原因：建模不完善。曲轴、连杆长度参数等没有达到要求。对机构性能有直接影响的几何参数和控制参数没有优化。没有进行平衡实验。通过修改构件的质量特性参数。活塞上的气体力没有获得。在实际运转中测量气体压力随曲轴转角的变化，得到示功图；或者根据内燃机仿真软件AVL-Boost计算或软件编程得到所需的数据。4.6有限元分析连杆主应力连杆在压缩工况下，曲柄连杆的最大主应力部位出现在连杆杆身与大圆过渡圆结合的位置。连杆总应变曲柄连杆机构最大应变出现在连杆小端的顶部连杆结构改进措施从有限元分析结果可以知道,连杆小端与杆身过渡部位是应力集中的部位,安全系数也是该处最小,是容易导致破坏的部位,因此,该部位需要进行结构上的改进,以提高其安全系数,给出以下改进措施：1，适当加大小端与杆身过渡部位处的圆弧半径2，适当加大小端与杆身过渡部位处的圆弧长度,使过渡部位更加平缓曲轴总变形曲轴最大主应力大多数是以弯曲变形为主,并且弯曲变形最大的部位出现在主轴颈和连杆轴颈与曲柄臂接合处。由此可以预见,弯曲疲劳裂纹是最容易出现在这些地方的。曲轴改进措施在轴类零件结构中，在轴肩的根部进行倒直角或者倒圆角可以明显减少零件的内应力情况，以提高零件的寿命，这对机械的寿命延长起到了很大的作用。活塞总变形活塞最大主应力总结我们课题的重点在于探索一条较为准确分析柴油机曲柄连杆机构工作时动力学仿真分析的方法。因而在建立动力学模型时简化了部分刚性零部件,同时没有考虑摩擦阻力和作用在柴油机曲轴上的负载阻力的影响；在建立连杆有限元模型时，简化了连杆一些对研究影响不大的特征，这些因素肯定会带来一定误差。如何更为真实地模拟柴油机工作时的实际情况，得出精确的载荷，是以后工作的重点。斯特林发动机是伦敦的牧师罗巴特斯特林（RobertStirling）于1816年发明的所以命名为“斯特林发动机”（Stirlingengine）。斯特林发动机是独特的热机，因为他们实际上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机工作原理简述斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。（所以斯特林发动机是外燃机）循环过程是：①等容吸热加热；②由外热源等温加热；③等容放热，供吸热用；④向冷体等温放热，完成一个循环。性能特点工作稳定：适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。高效环保：热气机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。简单经济：热气机单机容量小，机组容量从20－50kw，可以因地制宜的增减系统容量。结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大，同时维护成本也较低。缺点不足：1、发动机在提供有效动力之前需要时间暖机。2、发动机不能快速改变其动力输出。实际应用已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气，所以适用于都市环境和外层空间。另外，斯特林循环发动机是AIP（不依赖空气动力）技术的一个方向，保证常规动力潜艇长时间水下航行，而不需上浮。成功实例有美国STM公司的民用25KW外燃机以及日本亲潮级潜艇使用的斯特林发动机，中国潜艇也有自研成熟的斯特林发动机。斯特林发动机目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温，该研究还处于研究阶段