内燃机连杆机构的建模与运动仿真

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1、内燃机连杆机构的建模与运动仿真Numericalmodelingandsimulationoflinkininternalcombustionengine121万苏文，陶莉，刘永利121WANSu-wen,TAOLi,LIUYong-li（1.淮安信息职业技术学院，淮安223001；2.淮阴工学院，淮安223001）摘要：介绍了在Pro／E和MATLAB环境下，运用内燃机连杆机构的实例来建立数值模型，进行建模程序的编制，对连杆机构进行了运动仿真,并对活塞等主要运动部件的运动规律及受力情况进行分析计算。文章介绍的仿真方法为曲柄连杆机构的选型、优化设计提供

2、了一种简便有效的新思路。关键词：连杆机构；内燃机；数值建模；转动惯量中图分类号：TP391文献标识码：A　文章编号：1009-0134(2011)7(下)-0133-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.7(下).370引言矩等方程式。这样的研究方法可以应用于各种机构的运动分析，对内燃机活塞环和气缸套摩擦力曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环、完成大、使用寿命低、发动机噪音大、燃油热效率不能量转换的传动机构，既是用来传递力和改变运高等问题也具有广泛的意义。动方式的最关键组成部分之一，也是构成往复运动活塞式内燃机的基础机构组

3、成。柴油机曲柄连ഘ࣍杆机构由活塞组、连杆组和曲轴飞轮组等三大部件组成。其中活塞组包括活塞、气环、油环、活ᆳ࣍ऄ෗૶߇ת༫塞销、销挡圈等零件，沿气缸做往复直线运动；ၨڔං连杆组由连杆及附件组成，做平面运动；曲轴飞ऄ෗ၨ૶߇轮组包括曲轴、飞轮等，绕曲轴轴线做旋转运动，具体组成如图1所示。由于该机构是在高温高压下作变速运动，其工作过程中的受力情况非常复杂，૶߇அພ其中有作用在活塞顶部的气体作用力、运动零件૶߇ዡྑ的质量惯性力与离心力、各摩擦表面的摩擦力以૶߇߃૶߇அజ及外界阻力等，因此在分析和设计内燃机连杆机构图1柴油机曲柄连杆机构组成的结构强度、刚度等方面

4、带来了巨大挑战，传统的ऄ෗分析方法是采用解析法或图解法，人工计算量大、耗时、易出错和不直观，随着Pro/E和MATLAB等软件的发展，现在可以利用软件工具进行机构建૶߇ഛߓ༹模与分析，从而能够快速、精确、直观地反映机构的运动和受力情况。本文以MATLAB为研究工具，用闭环矢量二介导数法建立曲柄滑块机构的൸ዡ数学模型，应用Simulink模块建立仿真模型；同时以Pro/ENGINEER为研究工具，创建实体零件及其装配模型，如图2所示为单缸内燃机的Pro/E结构图。同时推导出活塞对气缸的侧向力、活塞的惯性力、连杆对活塞的作用力以及内燃机的转图2单缸内燃机P

5、RO/E结构图收稿日期：2011-03-27基金项目：江苏淮安市工业科学资助项目（HAG2010038）作者简介：万苏文（1967－），男，江苏淮安人，副教授，高级工程师，工学硕士，研究方向为机械设计及计算机仿真。第33卷第7期2011-7(下)【133】第33卷第7期2011-7(下)【133】1曲柄连杆机构数学模型的建立即可得到滑块位移的仿真曲线图，如图3所示。同理也可以得到滑块速度仿真曲线图，如图曲柄连杆机构向量模型如图3所示。其中滑4所示，滑块加速度仿真曲线图，如图5所示，连块的位移r1；曲柄长度r2、转角θ2；连杆长度r3、杆转角仿真曲线图，

6、如图6所示。转角θ3；将曲柄连杆机构的闭环矢量在坐标轴上投影为：YBθ3r2r3（1）Cθ2α设曲柄长度r2=50mm，连杆长度r3=150mm，曲Ar1X柄以角速度ω2=188.5rad/s（n=1800r/min）匀速转动，代入消元后求解得（2）式。图3曲柄连杆机构向量模型ࣂ੷࿋ᅎໜ้क़Վࣅڦݠኈ൸၍཮200190180（2）170160程序：functionr=tl0(t)/mm150r=sqrt(20000+2500*cos(188.5*t)^2)+50*cosࣂ੷࿋ᅎ140(188.5*t)130120fplot(’tl0’,[0,0.10]

7、)110将（2）式对时间t求导数，得到曲柄连杆机10000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1้क़t(s)构的速度方程如下：图4曲柄连杆机构活塞位移（3）×104ࣂ੷໏܈ໜ้क़Վࣅڦݠኈ൸၍཮10.8程序：functiondr=tl(t)0.60.4r=sqrt(20000+2500*cos(188.5*t)^2)+50*cos(18810.2－.5*t);/m·s0dr=9425*sin(188.5*t)*r/sqrt(20000+2500*cosࣂ੷໏܈－0.2(188.5*t)^2);－0.4－0.6fpl

8、ot(‘tl’,[0,0.10])－0.8同理将（3）式对时间求二阶导数，可得到加－100.0