新型无侧压内燃机内摆线机构关键技术研究

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1、华南理工大学博士学位论文新型无侧压内燃机内摆线机构关键技术研究姓名：薛运锋申请学位级别：博士专业：机械电子工程指导教师：杜群贵20090401摘要“能源与环境"是汽车和发动机工业在2l世纪发展所面临的两大课题，日益严重的环境问题和紧张的石油资源使内燃机的发展面临着严重的挑战。往复式内燃机的核心部件是曲柄连杆机构，这种传统的曲柄连杆机构虽然已具有一百多年的应用历史，但也存在很大的缺点，即在机构运动过程中，由于连杆绕活塞销往复摇摆，连杆对活塞不可避免地产生一侧向力，并导致活塞组在气缸内做横向平动和旋转摆动。该侧向力还导致大量往复摩擦功率的损失，严重影响该类机械的经济性、动力性

2、。同时由于大量的机械摩擦，降低了内燃机的使用寿命和可靠性。因此，开展能够改善内燃机工作过程、降低燃油消耗率、提高内燃机的动力性和经济性的新型能量转换机构具有十分重要的意义。根据内摆线原理，通过原理与结构创新，本文将一种内摆线机构应用于新型无侧压内燃机中，可以实现活塞和连杆的简谐直线运动与曲轴旋转运动的互换，理论上完全消除侧压力，降低了气缸与活塞之间的摩擦损失；能够有效改善内燃机工作过程，提高内燃机的动力性和经济性。本文通过理论、实验以及虚拟设计等多种手段对新型无侧压内燃机的核心机构内摆线机构进行了较为深入的研究。本文阐述了内摆线机构的设计原理、结构特点，并将内摆线机构替代

3、了S195柴油机的曲柄连杆机构，设计了新型无侧压内燃机；分析了内摆线机构的运动学和动力学，得出了内摆线机构活塞、连杆、行星齿轮的运动规律，内摆线机构活塞和连杆做简谐直线运动，没有二阶往复惯性力；详细分析了内摆线机构中作用力的传递情况，推导得出了内摆线机构的输出转矩和倾覆力矩计算模型。基于第二类拉格朗日方程推导了内摆线机构的拉格朗日动力学模型，数值计算表明，相同的P．V示功图和负载下，内摆线机构具有较高输出转速。运用热力学理论建立了新型无侧压内燃机工作过程数学模型，采甩Matlab编制了计算程序，对缸内压力、温度、指示功率、有效功率等主要性能指标进行了仿真研究。通过将仿真模

4、型应用于传统S195柴油机，并与试验结果进行对比，验证了所建模型能够较好的模拟和预测内燃机的性能：新型无侧压内燃机活塞做简谐直线运动，使得同一转速、同一循环喷油量和同～燃烧放热规律下气缸压力高于传统S195柴油机，最高爆发压力提高了5％，具有较高的输出功率和较低的燃油消耗率。说明了新型内摆线机构能够改善内燃机工作循环的热能利用率，改善内燃机的动力性和经济性。运用多刚体动力学理论，基于ADAMS平台建立了新型无侧压内燃机非线性数字化虚拟样机和传统S195柴油机虚拟样机模型，对两种模型进行了动力学仿真分析，仿真结果表明：相对于传统内燃机，新型无侧压内燃机基本上完全消除侧压力，

5、降低了活塞与气缸的摩擦损失。在同样的冲程、p-V示功图下，输出功率提高7．6％。对内摆线机构的左曲轴、中间曲轴和右曲轴进行了有限元模态分析和试验模态分析，有限元分析结果与试验结果吻合良好。然后应用修正的Craig．Bampton模态理论把有限元模型生成的模态中性文件引入到多刚体模型中取代相应的刚体；建立了相对刚体模型更符合工程实际的新型无侧压内燃机刚柔耦合多体动力学模型。对此模型进行数值仿真分析，得到了内摆线机构的动力学特性。对新型无侧压内燃机进行初步的试验研究，完成了新型无侧压内燃机的实验方案设计、试验台架的搭建，完成新型无侧压内燃机的磨合试验，验证了新型无侧压内燃机原

6、理方案的正确性和可行性，指出新型无侧压内燃机设计的关键所在，并为今后开展进一步的研究打下了基础。关键词：新型无侧压内燃机；内摆线机构：数值模拟；多体动力学；有限元模态分析；试验模态分析IIABSTRACTInthe21stcentury,energyshortageandenvironmentpollutionarethetwoseriousproblems，facedbyboththeautomobileandtheengineindustries，bringseriouschallengeforthedevelopmentofinternalcombustioneng

7、ine．ThemajorpartclRnkconnectingrodmechanismhasbeenusedfor100yearsoldinreciprocatingengine．However'conventionalcrankconnectingrodmechanismhasitsownshortages．Inthemovingprocessofcranklinkmechanism，thepistonsideforce，causedbythereciprocatingswingingmotionoftheconnectin