对置活塞发动机运动和动力特性研究

摘要

本文旨在研究一种V型对置活塞发动机的运动、结构和动力特性，分析其性能特点，明确其应用前景。
　　 本文以对置活塞发动机（Opposed Piston Engines，OPEs）为研究对象，用经典力学方法推导其主要部件的运动、受力状况，根据受力特点设计曲柄连杆部件的结构;以W(a)rtsil(a)6L20四冲程柴油机为参考对象，建立了相同功率的V型对置活塞发动机（称为6V20-OP）原型，运用多体动力学软件ADAMS进行柔性多体动力学分析，在考虑曲轴动态变形的情况下，分析各约束的载荷特性和动力输出特性;针对曲轴主轴承跨距较大的情况，用有限元法对曲轴的应力和应变特性进行了研究。
　　 本文主要工作如下:
　　 1、对OPEs结构布置形式的运动和受力分析，推出了各部件的运动和受力公式。结果显示，得益于活塞对置结构，OPEs在活塞速度低、曲柄半径小，气体力产生的侧推力较小，且主轴承不受到气体力作用，仅受到不平衡惯性力和离心力作用。
　　 2、根据各结构基本尺寸的相互关系，参考传统往复式柴油机的结构设计准则，设计了与6L20功率相同的V型6缸对置活塞发动机6V20-OP曲柄连杆机构，活塞、连杆、曲轴以及它们的连接件均满足实际的装配和运动要求。由于没有缸头组件，通过活塞开关气口实现气缸换气，因此OPEs结构相对简单，有利于减轻结构的整体质量。
　　 3、在ADAMS对虚拟样机模型进行的刚柔耦合仿真结果显示:6V20-OP发动机相对于同功率的四冲程发动机，机体结构相对受力较小;相对于6L20发动机，6V20-OP发动机的缸内爆压较低，有利于降低燃烧噪声;曲轴主轴承的受力相对于气体压力较小，最大轴承载荷仅为缸内最大压力的27％。
　　 4、采用有限元软件ANSYS对曲轴进行了瞬态动力分析。曲轴主轴承的跨距相当于传统柴油机的3倍，受到连杆的拉压作用，受力复杂，但是由于气体力大部分通过自身平衡，并不会产生过大的变形。结果显示曲轴的应力最大为155.7MPa，处于较低的水平。
　　 针对6V20-OP发动机的研究表明，OPEs发动机相对于传统发动机的动力性能具有较大的优势，NVH性能显著优于相同功率的四冲程发动机。若能在燃烧性能上有所完善，则具有良好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目的

1．4．课题研究内容

第二章 发动机曲柄连杆机构动力学

2．1 曲柄-连杆机构运动学

2．1．1 活塞的位移、速度、加速度

2．1．2 连杆的平面运动

2．2 曲柄-连杆机构受力分析

2．2．1 换算质量系统

2．2．2 往复惯性力和离心惯性力

2．2．3 曲柄连杆及机构上的作用力

2．3 OPEs性能小结

第三章 6V20-OP曲柄-连杆机构设计

3．1 基本性能参数确定

3．2 曲柄连杆机构主要部件设计

3．2．1 活塞

3．2．2 连杆

3．2．3 曲轴

3．2．4 气缸换气

3．2．5 6V20-OP发动机整体模型

3．3 本章小结

第四章 基于虚拟样机技术的6V20-OP柔性多体系统动力学研究

4．1 引言

4．2 柔性多体动力学基本理论

4．2．1 模型的建立

4．2．2 柔体动力学方程

4．3 虚拟样机模型

4．3．1 曲轴柔性化——Craig-Bampton方法

4．3．2 约束拓扑结构

4．3．3 驱动和载荷

4．4 620-OP发动机动力特性研究

4．4．1 动力输出特性

4．4．2 主轴承受力分析

4．4．3 连杆轴承受力分析

4．4．4 外活塞销倾斜

4．5 本章小结及OPEs结构优化建议

第五章 曲轴强度和变形有限元分析

5．1 有限元单元法

5．1．1 弹性力学的基本方程(矩阵形式)

5．1．2 三维弹性动力学的基本方程

5．2 曲轴动力学分析

5．2．1 模型设置

5．2．2 模态分析

5．2．3 瞬态响应

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文和科研成果

致谢