基于Adams发动机振动仿真的研究

发布时间:2021-11-29 04:03:02

叉 技 圆 ■  车 术

基 于 A a s 动柚振 动 仿直 硇 研究  dm 发
合 肥工业 大学噪声 与振动 工程研 究所 口 丁乾坤 刘正 士 

1 前言 :    
发动 机 振 动 噪 声 是 主 要 的车 内 振 动 噪  声, 因此 发 动机 振 动 成 为技 术 人 员 需 要 解 决  的首要 问 题 。在发 动 机 的设 计 开 发 过 程 中 ,   运用虚 拟样机技术 , 就可 进 行样 机 的测 试 , 找 

传感器 2 4采 集 所 得 信 号 作 为两 路 输 出信  、 号 。对 比振 动 加 速 度 来 衡 量悬 置 的 减 振 效 
果。  

大量 文献 介绍 在 利用 A a 进行发 动机  d 

振 动分析 时 , 是 在 A a 环 境 中建 立 质 量  都 d鹏
块, 然后对 其赋值进 行 分 析 , 括发 动机 的质  包

出和发 现潜 在 的 问题 , 而 更 加 方 便 快 捷 改  进 进产 品设计 、 高产品性 能。 提  

量、 质心位 置等参 数 , 以代 替 复杂 的发动 机模 
型 。当然 , 对于发 动 机整 体振 动模 态分 析 , 这  种方法是 可行 的 , 是对 于本 课题 , 但 需要 更 细  致 的分析 发 动 机 悬 置 的受 力情 况 时 , 真结  仿

果 并不 能完 全反应 出真 实情况 。  

2 常 规 分析 方 法 
2 1 在 A 踟 s 境 中建 立 发 动机 的质 量 块  . d 环
模 型 

在 A 锄 sVe 境 中建立的发 动机质 量  d /i w环
图 l 发动 机 前 左 、 悬 置 的安 装 示 意 图  右

块模 型 , 该发 动机 采 用 三点 悬 置 , 左 、 悬  前 右

调试一 款 2 5吨叉 车 的发 动机 ( 列 四  . 直

置采用 同一 种 型号 减 振 垫 , 测 试 三 向刚 度  经 值主要参 数 见表 l 。橡 胶 悬 置通 常 采用 合 成 
橡胶或 天然 橡 胶 硫 化 到 金 属 支撑 板 上 , 因此 

缸式 ) 左 、 前 右悬 置 的 减振 效 果 , 分别 用 国产  件 和进 口件测 试 , 比分 析各 自的减 振效 果 , 对  
进 而进行 国产 件替 代 进 口件 的可 行 性 分 析 。   悬 置安装 在发动机底 脚 和车架 支脚 之 间如 图 
l 示 。图中 l2 34为 四个 压 电 式 加速 度  所 、 、、

可简化 为一 端 固定 在 发 动 机 上 , 一端 固定  另 到车架 上 的 弹性 体 , 有 沿 三 个 轴线 方 向 的  具
线刚 度和阻 尼 , A 枷 s 件 中 , 在 d 软 轴套 ( uh  B s—
i) n 工具也具 有三 个方 向的线 刚 度和阻尼 , g 因 

传感器 , 主要 用 于采 集 测 试 位 置 的 垂 直振 动  加速度信 号。将发 动机 底脚 上传 感 器 l3 、 采 
集所得信 号 作 为两 路 输 入信 号 , 架底 脚 上  车
· 

此可用 轴 套 模 拟 橡 胶 悬 置 。车架 视 为刚 体 ,  
因此 , 轴套一端 与发 动 机相 连 , 另一端 可直 接 

1 · 6  

与大地相连 。模型 中给 ( uh g施 加相 同 的  Bsi ) n

法向力  使曲轴受弯曲,   ’ 并以 的形 
式作 用 于主轴承 , 向力 与构 成 力偶 , 力偶  切 其
矩 即为发 动机缸 体的转矩 :  
·   : ,  ^ 、 

三向相刚度值。安装位置参照实物见表 2  。
表 l 悬置 的刚度 

I  
I   刚度(, ) N删  

K K K x} y z    
1  l41 8  5 3   l  2 4

凡 .r: n 
cs  0p

() 5 

与 凡 相等 的  也作用 于 主轴承 ,   表 2 前 左右 悬置 的初 始安装 位置 
X  Y  Z 

与 

合成  ,  

又可 以分解 成* 缸轴线 的 

力  和垂 直气缸轴 线 的力  , 力偶  —  的力偶矩 成为倾覆 力矩  。  
= 一  

前左悬置 ( ) r   姗 前右悬置 ( ) 唧n 

一25 — O 3  2   25 — 0 3  2 

5  3 5  3

-* =一 c   

() 6 

当气 缸压力 F作 用 于 活塞 顶 部 时 , 同样  有 一,作用 于气 缸盖 , 矩  通过 曲轴 飞轮  转 传 给被驱 动机 械 , 者相 应 有 一 个 反 作 用力  后 矩 : = 一 作用 于 飞 轮 和 曲轴 , 覆 力矩      倾 通 过发 动机 体传 给 发动机 悬 置 , 置给 予  悬 相 应 的支反力 与 一船 , = /( 船   6 6是支 反  力 的力臂 )  。 在模型 中建立驱 动力 时可 以把发 动机 汽 

缸内燃气压力延拓为周期 函数 , 这样其它相  关的力也可 以用周期函数*似表达, 这样就 
较好地 模拟 了实 际 发 动机 的工 作 状 况 , 以  可
获取各个 转速 下的往 复惯 性力 和 力矩 。发 动  机汽缸 内燃气 温 度可 达 到 3o ~40 , o℃ 0 ℃ 对  活塞 的压 力 2 0~5 Nc 。发 动 机 转 速 :  0/   n
图 2 发 动 机 受 力分 析 

70 瑚 , 5 q 通过 以上受力 分析计算 
8 I i( .5.(5£ ) F : 5 oi(5£   =a s O 3 s 2 ) , ℃n n 20s 2 ) n

2 2 发动机受 力分析  . 首 先对发 动 机 进 行 受 力 分 析 , 图 2所  如 示, 燃气 的压力 F除 了对 连 杆 产生 拉 压 力 F 1  

对发 动 机施 加 激 励 源 , 曲轴 中心 施 加  在

发 动机 缸体 的转 矩  , 在气 缸 中心处 施 加 发  动机倾 覆力矩  , 在发 动机顶 部 施加 气体 压  力( 其表达式 略 )  。
2 3 仿 真分析  .

外 , 气缸壁 产生侧 向力 F 其 大小为 : 还对 c,  
凡 : Ft     () 1 

l rs (s ) 3 c n 入i   =a i  

() 2 

为曲柄 、 连杆长度之 比。连杆力 F 使   
连杆 轴承 B受 负荷并 在轴柄销 中心 B处 产生  切向力 凡 和法 向力 
凡 :F  


设定仿 真 时 间 为 02 , 过 A al .s通 dn s的后  处理模 块 得 到 发 动机 左 、 底 脚 处垂 向加 速  右
度( 左一粗线 , 右一 细 线 ) 见图 3 与 实测 发 动  , 机左 右底脚 垂 向加速 度 曲线 ( 4左— 绿 线 , 图  

, 大小分 别为 : 其  
() 3  () 4 

C S 0  

右一 黑线 ) 比可知 , 对 仿真 结 果并 不能 真实 反 
F  
C0S  

映发 动机悬 置的受力 振动情况 。  
· 

l  · 7  

到虚 拟 样 机 的 仿 真 结 果 与试 验 结 果 趋 于 一  致 。在整 个 过 程 中 , 要对 建 立 模 型 等 前续  需 工作进行 不 断 地 修 改 和完 善 , 能 生 成 所 要  才 求 的发 动机模 型 , 其过 程可 由图 5 示 。 表  

图 3 发 动 机 质 量块 模 型 左 右 底 脚 处 

图 5 PoE与 A a l联合 仿 真 过 程    r , dI I s

图 4 实 测发 动 机 左 右 底脚 处垂 向加 速 度 曲线 

3  
研 究 

E与 A a s联 合对 发动 机 振 动  dm
由于发 动机 各 汽 缸 燃 气 做 功 次 序 不 同 ,  

31 在 P , . m E环境中建立发动机内部各零部 
件并组 装成发 动机装 配体  参 照该 叉 车发 动 机 建 立 虚 拟 样 机 模 型 ,   该过程 需 要 注意 的是 单 位 问题 , 制 零 件 图  绘 以及 组 装 成 装 配 体 都 要 长 度 单 位 都 要 采 用 
ic , 则将 无 法完 成 从 P , nh否 m E到 A al dl T s的数  据转换 过 程 。模 型 导 入 到 A 帅 s 境 中 , d 环 再 

从而 导致 振 动 高 次 谐 波 出现 , 此仅 仅 在 发  因 动机 质心 处施 加 激 励 , 不 能 反 映 发动 机 的  是
复杂 受 力情 况 的 。 由以上 结 果 对 比可 知 , 这 

种质 量块模型 在研究 发 动机 振动 时虽 然很 方  便 , 是 , 能更加细 致 的分 析发 动机 悬 置 的  但 不
受力情况时 , 明显不 能满 足要 求 , 这样 在 以后 

把单 位 设定 为 M S 1l 【 ,i龋I,sc MK (l咖 e kl I e. Ii r 0 I i l   od , n)把模 型尺 寸转 换 成毫 米单 位 , 以便 给模 
型添加 约束 和驱动 力 。   3 2 在 Mehns /m 中生成 刚体 , . cai P 珈 添加 约束  M c  sl m是 连接 三维 实体 建模 软 件  eh Ⅱ P , EG E N 胍 R与 机 械 动 力 学 仿 真 分 析 软 件 

的悬 置参数求 解 以及 国产件 替代 进 口件 可行 
性 分析过程 中 , 使误 差增 大 , 后续 步骤 无法 进 
行。  

由于发 动 机 内部 构 件 十 分 复 杂 , 模 型  其 的准确性 又 直接 影 响到 仿 真 分 析结 果 , 于  鉴 在 A 锄 s 境 中建模 困难 , d 环 因此 提 出在 P ,  mE
环境 中建立 发动机 运动 构件 模 型后 组装 成装 

A a1的接 口模块 , 装 M c  sl m之 后 , dI l s 安 eh l P l /   在 P E装配 体环境 中就会 自动启 动 , 成发  m/ 完
动 机模型 装配后 , 在菜单管 理器 中选 择 St p e U    MehIs cai lm命令 , Rg  0 i 把发动机 各零  用 idB d s i e

配体 , 再在 Mehn rP cain m环境 中生 成 刚体 , s, 建  立各构件 之 间 的 约 束 , 然后 导 入 到 A a 环  d瞄

部件生 成 刚 体。再 往 A 锄 s中传 送 模 型 , d 直  接将模 型传 送 到 A 锄 s o e( dH d , l rA al Sv s的求 解 

境中, 建立约束, 添加驱动 、 力或力偶 , 然后进 
行仿真分析 , 并与试 验 结果 进行 比较 , 果不  如


器) 中进行动力学求解 , 也可 以将模型传送到 
A 跏 s iv 添 加 更 复 杂 的 约 束 副 或 驱 动  d , e 中, V、

致, 则回到前面的步骤对参数进行修改, 直 
· 

后, 再进行 动力学 仿真 分析 。 ( 加约 束 和力  添

l  · 8  

叉 技 圆 圈  车 术
也可 以在 M Po ,r 环境 中完成 。  )

对比图 7 与图 3可明显看出, , 采用 P ,  mE
与 A 锄s d 联合 的方 式建 立 的发 动机 模型 更能 
反映 出发 动 机 振 动 的 真实 情 况 , 实 测结 果  与

33 在 A 锄 s . d 环境 中添加 约束 和力 , 发 动  将
机模 型导人到 A a坞中调整 , dn 如图 6所示 。  

( ) 图4 更为吻合 。  

图 7 细 化 模 型后 得 到 的 振 动 加速 度 仿 真 曲 线 

4 结束语 
图 6 从  E导入 到 A al 中的 发 动 机模 型  d】 l I s

本文 详 细 的 阐述 了 P1E与 A al联 合  I/ D dI I s 对 发动机 振 动 建模 仿 真 分 析 的 方法 , 细 的  详
对 比分析 质 量块 模 型 与 P , m E与 A a1 联合  d】 【 l s

33 1添加 约束 在 各个 活塞 与 连 杆 问建 立 球  ..

副 , 杆与 曲轴 、 连 曲轴 与发 动机 之 间建立 旋 转 
副 , 塞与 缸 体 间沿 汽 缸 轴 向方 向建 立 移 动  活

建模 的仿 真 结 果 , 对 以 往 利 用 A as分析  针 dr n 发 动机 振动时采 用 的质 量块 模 型 的不 足提 出  了更 为精确 的仿 真 方法 , 为研 究发 动 机 的 振  动, 分析悬 置 的 减振 效 果 以及 用 国产 件 替 代 

副, 以实现各构 件之 间的相对转 动或* 动 。  
3 3 2建立 驱动力  ..

表 3 各个活 塞上施加 的力的表达 式 
活 塞  力 的 表达 式 (   N) +O5*P) . 1  

进 口件的可行性分析提供 了更为精确的仿真 
数据 基础 。  

第一 个   20 *s (o 2* I  50 i 3 * P * n

第 二 个  20 s (O 2* I I 一2 5 I 5O* i 3 * P * l n l . *P) e   第 三 个  20 *s (0 2* * 1—O 5 1 50 i 3 *    n n e . *P)   第 四 个  20 5o*s (o 2*P * i3* n I  一15 1 . *P)  

参考文 献 
1 武 一 民等 , 用橡 胶 悬 置 减 振 块 的 分 析 与研 究 , 车   中 国 : 车 研 究与 开发 ,02 1 汽 20 : 2一l  3 2 郑 凯 , D MS2o 械 设 计 高级 应 用 实例 , 械  A A  05机 机
工 业 出版 社 .0 6 9~ 1  20 : 0

由于该发 动机 汽缸 点 火 次序 为 l 一3—4  


2 因此 根 据 前 面 的分 析 , 虑 各 个 活 塞做  , 考

功滞后 角度 , 各个活塞施 加燃气 压力 如表 3 对  

3 王敏 ,   轻卡 动 力 总 成 悬 置 系统 的 隔振 性 能 研 究及   仿 真 分析 . 0r 4 —4  2O :4 5 7
4 周 昌水 , 车发 动 机 悬 置 优 化 技 术 研 究 , 庆 大 汽 重  

所示 : 后设定 发动机 的转速 为 9o )。 然 0 m 
34 仿真 分析  .

学硕士学位论文 2o :3 5 063 —3 

按 照 同样方 法 , 行仿 真分析 , 到发 动  进 得
机左 、 右底脚 处的垂 向加 速度见 图 7  。
僻  

5 陆际清,   汽车发动机设计 , 清华大学 出版社 ,9o l9 

    蓁叉  》祝大家新年快乐!万事如意! .车 《 技术
薄炎  漆I 鼍  
· 

l · 9  


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