V8发动机工作过程仿真分析 毕业设计论文

V8发动机工作过程仿真分析 毕业论文 仲恺农业工程学院 毕 业 设 计 V8发动机工作过程仿真分析 姓名 院,系， 机电工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化 093 班 学 号 200910824309 指导教师 职 称 讲师 论文答辩日期 2013 年 5 月 26 日 仲恺农业工程学院教务处制 学生承诺 本论文是在导师的指导下完成的研究成果，本学位论文的研究成果不包含其他人已经发表或撰写过的研究，如参考他人或集体的科研成果，均在文中以明确的方式说明，本人依法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 作者签名: 日 期: 摘 要 发动机作为汽车最重要的部件之一，不仅有着复杂的结构，还暗藏着许多难懂的原理，V8发动机是发动机当中享有很高地位的一种，对于汽车爱好者，汽车使用者，汽车维修者等众多人来说，掌握它的结构跟原理是很具有现实意义的，此次毕业设计主要是基于UG对V8发动机进行建模展示结构，做运动仿真展示原理以及基于ANSYS Workbench软件的V8发动机主要传动部件的有限元分析。形象地将结构模型与工作过程相结合共同阐述其工作原理。因此，做这个毕业设计不管从技术角度还是从时代要求的角度看都很具有意义的。论文将通过发动机的模型结构(图片)与工作过程相结合形象而直观地展现其工作原理，更便于读者去理解掌握。 关键词:V8发动机 UG 运动仿真 有限元 目 录 1 前言 ......................................................... 1 1.1 研究背景 ................................................... 1 1.1.1 发动机的分类 ............................................. 1 1.1.2 V型发动机发展历史与技术特点.............................. 2 1.1.3 研究目的及意义 ........................................... 4 2 V8发动机的结构建模与解析..................................... 4 2.1 总体结构 ................................................... 4 2.2 曲柄连杆机构 ............................................... 6 2.2.1 曲柄连杆机构的建模 ....................................... 6 2.3 配气机构 ................................................... 8 2.3.1 配气机构的建模 ........................................... 8 2.3.2 配气机构的原理解析 ....................................... 8 2.4 冷却系统 .................................................. 13 2.5 润滑系统 .................................................. 13 2.6 供给系统 .................................................. 14 2.7 起动系统 .................................................. 15 2.8 点火系统 .................................................. 16 3 基于UG的V8发动机运动仿真分析 .............................. 16 3.1 V8发动机的基本原理介绍.................................... 16 3.2 V8发动机的运动仿真分析.................................... 19 3.2.1 基于UG的V8发动机运动仿真过程 .......................... 19 3.2.2 V8发动机的运动仿真结果分析检验.......................... 26 4 V8发动机的主要传动部件的有限元分析.......................... 29 4.1 发动机曲轴的模态分析 ...................................... 29 4.1.1 曲轴部件模型的简化 ...................................... 30 4.1.2 曲轴模型参数与边界条件的设置 ............................ 30 4.1.3 结果后处理分析 .......................................... 32 4.2 发动机连杆部件静态分析 .................................... 33 4.2.1 连杆部件模型的简化 ...................................... 33 4.2.2 连杆部件模型参数与边界条件的设置 ........................ 34 4.1.3 结果后处理分析 .......................................... 35 1 前言 1.1 研究背景 1.1.1 发动机的分类 我们都很清楚的知道一个事实，汽车就像电脑一样不断的普及，已经成为家喻户晓的一种交通工具，有汽车的”心脏”之称的发动机也就不断为我们所认识，所了解。但是，想要更加清楚的了解汽车发动机，我们很有必要去了解一下汽车发动机的分类，因为汽车发动机不仅种类繁多，分类方式也及其复杂。以下是汽车发动机的各种分类: 按活塞运动方式分类:活塞式内燃机可分为往复活塞式和旋转活塞式两种。前者活塞在汽缸内作往复直线运动，后者活塞在汽缸内作旋转运动。 按照进气系统分类:内燃机按照进气系统是否采用增压方式可以分为自然吸 增压式)发动机。若进气是在接近大气状态下进气(非增压)式发动机和强制进气( 行的，则为非增压内燃机或自然吸气式内燃机;若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压内燃机。增压可以提高内燃机功率。 按照气缸排列方式分类:内燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式、双列式和三列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的。双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角<180?(一般为90?)称为V型发动机，若两列之间的夹角=180?称为对置式发动机。三列式把气缸排成三列，成为W型发动机。 按照气缸数目分类:内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机和多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机;有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸、十六缸等都是多缸发动机。现代车用发动机多采用三缸，四缸、六缸、八缸发动机。 按照冷却方式分类:内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机和风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体和气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的;而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。 1 按照行程分类:内燃机按照完成一个工作循环所需的冲程数可分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。把曲轴转两圈(720?)，活塞在气缸内上下往复运动四个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机;而把曲轴转一圈(360?)，活塞在气缸内上下往复运动两个冲程，完成一个工作循环的内燃机称为二冲程内燃机。汽车发动机广泛使用四冲程内燃机。 按气门机构种分类:侧置气门(SV)发动机、侧置凸轮轴(OHV)发动机、顶置凸轮轴(OHC)发动机、可变气门(VTEC)发动机 和Desmo气门机构发动机。 按燃油供应方式分类:化油器发动机和电喷发动机 。 按照所用燃料分类:内燃机按照所使用燃料的不同可以分为汽油机和柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机;使用柴油为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点;汽油机转速高，质量小，噪音小，起动容易，制造成本低;柴油机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油机好。 1.1.2 V型发动机发展历史与技术特点 活塞发动机的气缸分列在曲轴的两侧，在该方向上呈现出V字形。这种排列方式相较于水平直线排列的设计，可以减少发动机的长度，高度和重量。 V型发动机的汽缸排列并非垂直于曲轴，而是有一个角度，两排汽缸之间的角度取决于汽缸的数量以及运作顺畅的考量而有不同，比较常见的角度包括60度与90度。由于V型发动机的汽缸是朝外侧倾斜，因此发动机上侧的宽度较大。 最早汽车发动机是单缸的，后来有了直列多缸发动机，V型发动机的优点工程师们很早就发现了，他们设计的最早的V型发动机只有两个气缸，也就是V2， 1905年Marmon汽车公司生产了世界上第一款装备V6发动机的轿车。1902年法国人Léon Levavasseur设计了世界上第一款V8发动机。1904年V8发动机概念在法国非常流行，雷诺制造了V8航空发动机，1905年劳斯莱斯制造了3.5升排量的V8发动机。 在问世十年时间里，虽然很多厂商都制造了V8发动机，不过这些V8发动机更多带有实验性质，产量很少，第一款大批量生产的V8发动机是1914年开始生产的凯迪拉克的5.4升V8发动机。 第一次世界大战中，V12发动机问世，当时V12发动机主要都是航空发动机，雷诺、戴姆勒和迈巴赫都生产了V12发动机。由于美国本土没有收到第一次世界 2 大战的波及，V12在汽车上应用于1916年就开始了，为了争夺美国豪华轿车第一把交椅，美国的帕卡德在1916年率先生产了装备V12发动机的豪华轿车，凯迪拉克和Hispano-Suiza于1930年开始生产装备V12发动机的豪华轿车。 出于对更大功率的渴望，在发动机设计上屡有创新的美国Marmon公司于1927年开始设计V16发动机，可惜一直等到1931年才投产，1930年凯迪拉克设计生产了自己的V16发动机和装备这台发动机的豪华轿车凯迪拉克V16，借助于凯迪拉克V16，凯迪拉克从而成为美国第一豪华轿车品牌。 6.2升LSA V8机械增压发动机技术亮点 :CTS-V Coupe采用的6.2升V8机械增压发动机，输出功率高达 556 马力，扭矩为747牛•米，是凯迪拉克品牌有史以来动力最为强劲的发动机，0-96公里/小时加速仅需 3.9 秒。CTS-V Coupe延续了V 系列拥有独特设计的进气格栅，可将进气量提高一倍，从而实现高散热性能。6.2升V-8发动机配有中冷Eaton增压器系统和先进的铝合金汽缸盖。机械增压器的旋转内部组件的新型设计扩展了其效率范围，使得发动机在各种转速下都具有平稳宽广的功率范围。无论在低速还是在高速条件下，动力都是瞬间启动、强劲和持续的。 凯迪拉克V型发动机的历史和技术发展 :一直以来，凯迪拉克一直在致力于极致动力科技研发，而其动力系统真正开始于1914年，当时，凯迪拉克推出美国第一台8缸发动机，此发动机采用了恒温控制的冷却剂的流动，后来普遍被其他制造商所采用。十年后，凯迪拉克双平面的V - 8曲轴的发明为凯迪拉克在发动机技术上做出了又一重大突破。重新设计的凯迪拉克V – 8发动机的出现，标志着多缸发动机时代的到来。 1930年，凯迪拉克推出了世界上第一次用于客车使用的V 16发动机， V16的诞生使得凯迪拉克跻身于世界最优秀的汽车的地位已成为不可争辩的事实，同一年，凯迪拉克推出了同一车型的V12 发动机，相比起V16 7.4L产生的160马力，V12 6.0L可产生135马力。1949年底，凯迪拉克研制出了高压缩比、顶置式气门、轻型的V8发动机，它的出现为凯迪拉克以后的发展产生了重大影响。 1992年，通用汽车高级V型发动机家庭的第一个成员4.6升北极星V8发动机诞生，采用全铝结构四顶置凸轮轴配气系统，在当时V8发动机中技术和性能均处于领先地位。 之后，不断有V型号的发动机在此基础上研发创新，为V家 3 族的极致动力的高性能马力奠定了坚实的基础。 1.1.3 研究目的及意义 发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力。简单讲发动机就是一个能量转换机构，即将汽油(柴油)的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀时，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机最基本原理。发动机所有结构都是为能量转换服务的，虽然发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，无论是在设计上、制造上、工艺上还是在性能上、控制上都有很大的提高，其基本原理仍然未变，这是一个富于创造的时代，那些发动机设计者们，不断地将最新科技与发动机融为一体，把发动机变成一个复杂的机电一体化产品，使发动机性能达到近乎完善的程度，各世界著名汽车厂商也将发动机的性能作为竞争亮点。汽车的动力性、经济性、环保性都有着极大的进步空间。随着发动机的迅速发展，数量的急剧增多必然带来一系列问题，作为汽车最重要的部件之一，对发动机的保养维修必然是大家最关心的一个问题，而熟悉汽车发动机的结构跟原理是保护和维修好汽车发动机的前提条件。因此，随着汽车数量的增多，汽车使用者的普及，对汽车发动机的了解将会越来越普遍。 V8发动机是发动机当中享有很高地位的一种，对于汽车爱好者，汽车使用者，汽车维修者等众多人来说，掌握它的结构跟原理是很具有现实意义的，此次毕业设计主要是基于UG对V8发动机进行建模展示结构，做运动仿真展示原理，形象地将结构模型与工作过程相结合共同阐述其工作原理，这样就让模型与原理文字形象直观地结合在了一起，更容易理解。因此，做这个毕业设计不管从技术角度还是从时代要求的角度看都很具有意义的。论文将通过发动机的模型结构(图片)与工作过程相结合形象而直观地展现其工作原理，更便于读者去理解掌握。 2 V8发动机的结构建模与解析 2.1 总体结构 汽油机由以下两大机构和五大系统组成，即由曲柄连杆机构，配气机构、燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系组成。它是借由燃烧气体产生动力经过活塞连杆机构带动曲轴进行旋转。再通过链传动进一步带动凸轮轴旋转，从而使配气系统循环工作，不断燃烧气体产生动力，从而使整个机构实现循环。本 4 次设计主要针对汽油机当中V8发动机进行研究，V8，内燃机的汽缸排列型式之一，他的8个气缸分成两组，每组4个，成V型排列。而这次毕业设计，我主要是基于UG对V8发动机的主要部分进行建模,这章我们将对V8发动机的主要部分进行模型展示并对一些结构原理进行分析。 V8发动机的零件装配图如图2-1所示: 图2-1 发动机总体装配图 V8发动机的主要运动部分是曲柄连杆机构跟配气机构两大机构，除了这两大机构还包括五大系统，即燃料供给系、润滑系、冷却系、点火系和起动系，这五大系统与两大机构相互配合工作，发动机各部分的位置结构大致如图2-2所示: 5 图2-2 发动机的刨切图 2.2 曲柄连杆机构 2.2.1 曲柄连杆机构的建模 曲柄连杆机构是发动机的主要传动机构，他主要有汽缸体曲轴箱组，活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。他的作用主要是把高压气体作用在活塞顶部的压力转变为曲轴的扭矩，通过传动系传给驱动轮(即进行热功转换)。其中曲柄连杆机构的零件装配图如图2-3所示: 图2-3 曲柄连杆机构装配 6 (1)活塞连杆组，作用是将燃料燃烧时产生的热量转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出功率。其具体结构如图2-4所示: 图2-4 活塞连杆组 (2)曲轴飞轮组，功用是把活塞、连杆传来的气体作用力转变为转矩，用于驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。其具体结构如图2-5所示: 图2-5 曲轴飞轮组 7 2.3 配气机构 2.3.1 配气机构的建模 配气机构是汽车发动机的主要机构，配气机构主要作用是按照发动机各缸的作功顺序和每一汽缸工作循环的要求，定时开启和关闭各汽缸的进、排气门，配合发动机各缸实现进气、压缩、作功和排气的工作过程。配气机构主要由气门组和气门传动组组成。其中气门组跟气门传动组的主要结构如图2-6所示: 图2-6 配气机构 2.3.2 配气机构的原理解析 1(配气相位 “配气相位”是发动机(每个汽缸)的进、排气门从开启(时刻)到关闭(时 刻)曲轴所旋转的角度。在配气凸轮轴的凸轮形线不变的情况下，进、排气门从开启到关闭曲轴旋转角度的数量(即进、排气门的总开启角度)是不变的。V8发动机的配气相位如图2-7所示: 8 图2-7 V8发动机的配气相位 (1).进、排气持续角 从图2-7可以看到:发动机在工作过程中，排气门在做功行程活塞到达下止点前一定距离时开启，即排气门提前开启，把此时曲柄与活塞位于下止点时曲柄之间的夹角叫做“排气提前角”，用“,”表示(一般为40?,80?);而在排气行程活塞越过上止点一定距离后排气门才关闭，即排气门延迟关闭，把此时曲柄 ,与活塞位于上止点时曲柄之间的夹角叫做“排气延迟角”，用“”表示(一般为10?,45?)。进气门在排气行程活塞到达上止点前一定距离时开启，即排气门提前开启，把此时曲柄与活塞位于上止点时曲柄之间的夹角叫做“进气提前角”，用“”表示(一般为10?,45?);而在进气行程活塞越过下止点一定距, 离后进气门才关闭，即进气门延迟关闭，把此时曲柄与活塞位于下止点时曲柄之间的夹角叫做“进气延迟角”，用“”表示(一般为40?,80?)。 , 排气门从开启(气门升程1mm)到关闭(气门还有1mm升程)曲轴所旋转的角度数叫做“排气持续角”;进气门从开启(气门升程1mm)到关闭(气门还有1mm 升程)曲轴所旋转的角度数叫做“进气持续角”。如图2-8、图2-9所示。 9 图2-8 进气跟排气各种角的示意图 图2-9 进气跟排气各种角的示意图 进、排气门提前开启和延迟关闭的目的是改善进、排气状况，使排气干净、进气充足，以提高发动机的动力性能和降低燃油消耗。 (2).气门重叠角 从图2-7中还可以看到:在排气行程活塞位于上止点时，由于进气门提前开启、排气门延迟关闭，使进、排气门同时开启着。称为“气门叠开”。从进气门 ,,开启时曲柄与排气门关闭时曲柄之间的夹角(曲轴所旋转的角度数)，“”与“”之和称为“气门重叠角”。 10 2(配气正时 一台发动机的“配气相位”，是根据该发动机的结构、性能等要求特性，在设计制造时通过试验和计算确定的，由配气凸轮的形线决定。为保证进、排气门的提前开启角正确，必须在安装配气凸轮轴时，使凸轮轴相对于曲轴的角度正确，这就是“配气正时”。“配气正时”，是指配气机构与曲轴连杆机构的动作必须协调一致，以保证发动机能正常运转。气门在活塞处于什么位置时开启(或关闭)，在凸轮形线确定的情况下，由配气机构传动机件、凸轮轴安装时相对于曲轴的角度决定。 在多缸机型中，几个活塞不同时到达上止点，故有两个或两个以上止点标记如图2-10所示; 图2-10 上止点标记示意图 另一对标记表示活塞位于压缩行程上止点时，进、排气门应处在同时关闭的位置，其动标记通常设在从动链轮上或凸轮轴端面上，静标记或设在汽缸头上或 以凸轮轴轴承座孔剖分面为标记，如图2-11、图2-12所示。 11 图2-11 动标记位置示意图 图2-12 静标记位置示意图 用齿轮传动的配气机构，其动、静标记则设在两啮合的齿轮上，如图2-13所示。 图2-13 对准标记 正常情况下，只要将上述两对标记同时对准后进行安装，就能保证配气正时; 也只有将上述两对标记同时对准后进行安装，才能保证配气正时。 12 2.4 冷却系统 他的冷却系统主要由水套、水泵、散热器、风扇、节温器等组成。冷却系的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。水泵的零件装配图如图2-14所示: -14 水泵 图2 2.5 润滑系统 润滑系统主要由机油泵、集滤器、限压阀、油道、机油滤清器等组成。其功用是向作相对运动的零件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。并对零件表面进行清洗和冷却。油泵的零件装配图如图2-15所示: 13 图2-15 油泵跟油管 2.6 供给系统 供给系统主要由汽油滤清器、进气歧管、排气歧管等组成。电控燃油喷射式由空气供给系统、燃油供给系统和电子控制系统组成。汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后 -16和图2-17的废气从气缸内排出到大气中去;进气管跟排气歧管的零件如图2所示: 图 2-16 进气歧管 14 图2-17 排气歧管 2.7 起动系统 主要由起动机及其附属装置组成。功能:要使发动机由静止状态过渡到工作状态，必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转，工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装置，称为发动机的起动系。本次设计主要对电机进行了模型的建造，电机的零件图如图2-18所示: 图2-18 电机 15 2.8 点火系统 主要由统式由蓄电池、发电机、点火线圈、断电器、火花塞等组成。功能:在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系。由于本次设计主要是针对工作过程的仿真，并未对火花塞等一些与运动过程无关的小零件进行建模。 3 基于UG的V8发动机运动仿真分析 3.1 V8发动机的基本原理介绍 它是借由燃烧气体产生动力经过活塞连杆机构带动曲轴进行旋转。再通过链传动进一步带动凸轮轴旋转，从而使配气系统循环工作，不断燃烧气体产生动力，从而使整个机构实现循环。他的工作过程主要由四部分组成，即进气、压缩、作功、排气四个行程。 1(进气行程 活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时排气门关闭，进气门开启。在活塞移动过程中，气缸容积逐渐增大，气缸内形成一定的真空度。空气和所示汽油的混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步混合形成可燃混合气。如图3-1: 图3-1 进气行程 16 2( 压缩行程 进气行程结束后，曲轴继续带动活塞由下止点移至上止点。这时，进、排气门均关闭。随着活塞移动，气缸容积不断减小，气缸内的混合气被压缩，其压力和温度同时升高。如图3-2所示: 图3-2 压缩行程 3( 作功行程 压缩行程结束时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，将气缸内的可燃混合气点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，压力和温度迅速升高。在气体压力的作用下，活塞由上止点移至下止点，并通过连杆推动曲轴旋转作功。这时，进、排气门仍旧关闭。如图3-3所示: 17 图3-3 作功行程 4( 排气行程 排气行程开始，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点移至上止点，此时膨胀过后的燃烧气体(或称废气)在其自身剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。当活塞到达上止点时，排气行程结束，排气门关闭。如图3-4所示: 图3-4 排气行程 18 3.2 V8发动机的运动仿真分析 3.2.1 基于UG的V8发动机运动仿真过程 发动机主要运动部分包括曲柄连杆机构跟配气机构，此次仿真主要针对发动机的主要运动部分进行仿真，因此对一些与仿真无关的零件进行隐藏处理，他主要运动部分零件装配图如图3-6所示: 图3-6 主运动部分装配图 1(装配图的导入: 首先我们在UG软件下打开如图3-6所示的V8发动机装配图，在【启动】目录下打开【运动仿真】选项，在【运动导航器】上右击装配文件名，在弹出的【环境】对话框中选择【动力学】，单击【确定】按钮。在弹出的【机构运动副向导】对话框中单击【确定】按钮，把装配图中的构件自动转换成连杆，装配关系映射成仿真模块里的运动副。在弹出的【主模型到仿真的配对条件转换】对话框中选择【是】。 2(连杆的设置: 由于如图3-6所示的装配图中，有很多零件时不涉及运动但是在步骤1里面也被转换成了连杆，因此我把连杆都删除掉，重新进行连杆设置。涉及运动的部件数量总结为如表3-1所示，连杆设置情况如图3-7所示: 19 表3-1 运动部件数量总结表 单位:个 曲轴 凸轮轴 连杆 活塞 摇杆 气门 总共 1 2 8 8 16 16 51 图3-7 连杆设置信息栏 3(添加运动副: 选择【运动导航器】下的Joints中的每个运动副与装配图对照，由于这些运动副都是自动转化得到的，因此，很多是不正确的，为了避免工作的繁琐我把这些运动副都删掉了，重新对运动部件进行一个个添加运动副。以下是各个运动副详细的添加情况: (1)左一连杆与曲轴之间添加的旋转副如图3-8所示，右一连杆与曲轴添加的旋转副跟左一连杆与曲轴之间的旋转副类似，就指定矢量的方向是相反的。如图3-9所示: 20 图3-8 连杆与曲轴之间的旋转副 图 3-9 连杆与曲轴之间的旋转副 (2)连杆与活塞之间添加的旋转副如图3-10所示，其余七个连接也是一样，运动情况相同，故也是添加旋转副。 21 图3-10 连杆与活塞之间的旋转副 (3)对活塞固定滑动副如图3-11所示，一共有八个活塞，他们的添加情况也是一样。 图3-11 活塞自身的固定滑动副 (4)对一个曲轴跟两个凸轮轴自身添加一个固定旋转副，因为他们都是自身转动，所以在添加过程中我们不选啮合齿轮，其旋转副分别如图3-12和3-13所示: 22 图3-12 曲轴自身的旋转副 图3-13 凸轮轴自身的旋转副 (5)对气门自身添加固定滑动副，如图3-14所示，一共有16个气门，由于他们运动情况一样，因此都是添加固定滑动副。 23 图3-14 气门自身的固定滑动副 (6)对摇杆添加固定旋转副，如图3-15所示，摇杆跟气门的个数一样16个，而且他们的运动情况也相同，所以都添加固定旋转副。 图3-15 摇杆自身的固定滑动副 我们一共添加了58个各种类型的运动副，运动副添加情况如图3-16所示: 24 图 3-16 运动副添加信息栏 在添加好运动副之后我们可以进行运动规律的仿真，右击【运动导航器】上的仿真项目motion,1，新建解算，在解算方案里面我们根据自己需要的时间跟步数设置好之后确定就可以进行求解了。仿真界面如图3-17所示: 图3-17 仿真界面 25 3.2.2 V8发动机的运动仿真结果分析检验 720:,8,90:90:V8发动机的发火间隔为，4个曲拐互成，如图3-16所示， R1,L1,R4,L4,L3,R2,L2,R3根据表3-2工作顺序大概可以分为两种:和L1,R4,L4,L3,R2,L2,R3,R1。由表3-2我们可以发现，发动机的各个气缸内每经历一个工作行程曲轴将旋转180?，也就是说发动机各个气缸内每经历 180:，4,720:四个完整的行程曲轴将旋转。 图3-16 V8发动机缸体与曲拐的示意图 表3-2 四冲程V8发动机工作情况 曲轴转角(?) R1 R2 R3 R4 L1 L2 L3 L4 作功 排气 压缩 进气 0-90 作功 压缩 进气 排气 0-180 90-180 排气 进气 作功 压缩 180-270 排气 作功 压缩 进气 180-360 270-360 进气 压缩 排气 作功 360-450 进气 排气 作功 压缩 360-540 450-540 压缩 作功 进气 排气 540-630 压缩 进气 排气 作功 540-720 作功 排气 压缩 进气 630-720 26 我们根据曲轴所转过的角度来设置时间，以曲轴转过0?作为时间的起始点0，当曲轴每次转过90?记一个时间单位T。 1(首先我们以第一缸右的做功行程为例分析其他七个气缸的工作情况，一个行程曲轴将转过180?，根据表3-2知，我们将分析在时间段0到2T之间各 R1,L1,R4,L4,L3,R2,L2,R3个缸体的工作情况。根据发动机的工作顺序，我们可以总结出各个缸体的工作情况所示如表3-3所示: 表3-3 各气缸在0-2T内的工作状态 R1 R2 R3 R4 L1 L2 L3 L4 0-T 作功 排气 作功 压缩 压缩 排气 进气 进气 T-2T 作功 进气 排气 压缩 作功 排气 进气 压缩 我们把装配好的V8发动机的主要运动部分在三维软件UG下进行运动仿真，运动仿真中，我们以第一右缸的作功行程即在时间0-2T内为研究对象，仿真图片如图3-17所示，从仿真中我们可以得到各个缸体的工作情况如下: (1).0-T时间内: L1处于压缩行程，L2处于排气行程，L3处于进气行程，L4处于进气行程, R1处于作功行程，R2处于排气行程，R3处于作功行程，R4处于压缩行程。 (2).T-2T时间内: L1处于作功行程，L2处于排气行程，L3处于进气行程，L4处于压缩行程, R1处于作功行程，R2处于进气行程，R3处于排气行程，R4处于压缩行程。 这与表3-3总结出来的理论工作情况完全符合，说明仿真符合实际。 27 图3-17 0-2T内各气缸工作情况 2(对第一左缸的作功行程分析其他七个缸体的工作情况，由表3-1可知，第一左缸作功行程即为曲轴转过90?到270?的过程，就是说我们将研究时间段-3T内各个气缸的工作情况。根据发动机的工作顺序T R1,L1,R4,L4,L3,R2,L2,R3，我们可以总结出各个缸体的工作情况所示如表3-4所示: 表3-4 各气缸在T-3T内的工作状态 R1 R2 R3 R4 L1 L2 L3 L4 T-2T 作功 进气 排气 压缩 作功 排气 进气 压缩 2T-3T 排气 进气 排气 作功 作功 进气 压缩 压缩 我们把装配好的V8发动机的主要运动部分在三维软件UG下进行运动仿真，运动仿真中，我们以第一右缸的作功行程即在时间0-2T内为研究对象，仿真图片如图3-18所示，从仿真中我们可以得到各个缸体的工作情况如下: (1).T-2T时间内: L1处于作功行程，L2处于排气行程，L3处于进气行程，L4处于压缩行程, 28 R1处于作功行程，R2处于进气行程，R3处于排气行程，R4处于压缩行程。 (2).2T-3T时间内: L1处于作功行程，L2处于进气行程，L3处于压缩行程，L4处于压缩行程, R1处于排气行程，R2处于进气行程，R3处于排气行程，R4处于作功行程。 这与表3-3总结出来的理论工作情况完全符合，说明仿真符合实际。 图3-18 T-2T内各气缸工作情况 按照步骤(1)(2)针对其他六个缸体的作功行程依据同样的方法进行检验，都符合实际，在此将不一一列举。 4 V8发动机的主要传动部件的有限元分析 4.1 发动机曲轴的模态分析 曲轴作为一个复杂的弹性连续体，它对发动机有着重要的影响。在发动机高速运转中，曲轴的扭转振动往往成为曲断裂的主要原因。要设计一款曲轴，必须考虑其振动、噪声等特，而对曲轴的模态分析却是必不可少的。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域的应用。态是机械结构固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、振型，这些参数可以由计算或试验取得。讨论的是模态分析中的计算模态分析。曲轴在工作过程中不断的受到复杂的交变的冲击载荷激励，随之产生了横向、纵向以及扭转振动，当某 29 一激励力的频率和曲轴其中一阶固有频率相同或者相近时，产生轴系的共振，这足以导致曲轴的疲劳断裂。对曲轴的模态分析是对曲轴的振动特性分析，为振动故障及结构动态特性的优化设计提供依据。自由模态分析反应了曲轴刚体的固有特性，而约束模态分析更能够模拟曲轴安装在发动机缸体中所表现的固有特性。利用了有限元方法对V8 发动机曲轴进行了约束模态分析，得到其固有频率和振型，为后续优化设计提供理论依据。 4.1.1 曲轴部件模型的简化 此项目以V8发动机曲轴为研究对象, 共有4个连杆轴颈和5个主轴颈， 其主要尺寸参数如下: 主轴颈长度为26mm， 主轴颈直径为67 mm, 曲柄销长度为50mm， 曲柄销直径为53 mm。本文通过在UG 三维实体设计软件中建立曲轴的模型 , 然后导入到AWE中, 简化了三维实体建模的工作量。 [7]由参考文献知, 在进行曲轴实体建模时, 为使有限元网格化与实体结构一致, 保证计算结果的模态特性, 在不影响结构动态特性的原则下, 对曲轴体内小尺寸的结构进行了省略简化处理, 建成的曲轴三维实体模型如图4-1所示: 图4-1 曲轴的简化三维模型 4.1.2 曲轴模型参数与边界条件的设置 1(模型参数的设置 进行模态分析前曲轴的参数设置，材料参数设置如表4-1所示: 30 表4-1 材料特性 材料 40Cr 弹性模量 200GPa 泊松比 0.3 密度 7850kg/m 2(网格划分 进入Modal 模块进行网格划分，网格划分采用四面体网格，网格大小合适，单元尺寸设置为0.01m，共有47912个节点，29413个有限单元，有限元模型如图4-2 所示。 图4-2 曲轴的有限元模型 3(添加约束 在对整体曲轴进行计算模态分析时，采用不同的约束对分析结果将会产生直接的影响，边界条件不同，所求得的模态参数也不同。针对发动机实际运行情况，曲轴受到主轴承和纵向止推轴承的约束，纵向止推轴承可以有效防止曲轴的轴向窜动，保证连杆活塞组正常工作。该曲轴有5 个主轴颈，模拟实际情况对曲轴的5个主轴颈分别施加无摩擦约束(Frictionless support)，即轴颈表面径向的对称约束。为控制发动机在工作时曲轴的轴向窜动，在曲轴上设置有轴向定位装置。但是又要保证曲轴在受热膨胀时有一定的自由伸长量，所以曲轴上只能有一处轴向定位。为模拟轴向定位约束，在曲轴后端面施加了轴向位移约束，即:X=0。 31 4.1.3 结果后处理分析 由于曲轴的低阶模态才对曲轴的振动分析有实际的参考价值[5]，利用有限元软件求得了曲轴前6阶(n=6)模态，其中曲轴第1 阶模态固有频率为0，为刚体的转动模态，对刚体的振动分析没有实际意义。各阶固有频率，如表4-2 所示。表中:n—模态的阶次;—曲轴的固有频率。 , 表4-2 前六阶固有频率参数(单位:Hz) n 1 2 3 4 5 6 (Hz) 0 709.73 788.64 1623.1 1641.3 1756.7 , 利用ANSYS Workbench 求出曲轴前6 阶的振型。在此我选择了比较有代表性的第3、4、5阶的振型图进行分析，如图4-3所示，。从振型图可以看出，第3 阶固有频率下发生曲轴的纵向弯曲振动，第二主轴颈上的平衡块变形较大;;第4阶发生纵向弯曲振动，如图4-4 所示。其中第四主轴颈上的平衡块变形较大;第5 阶发生曲轴的横向弯曲振动，如图4-5 所示。第四主轴颈部位平衡块变形较大。 图4-3 第三阶振型图 32 图4-4 第四阶振型图 图4-5 第五阶振型图 4.2 发动机连杆部件静态分析 连杆是内燃机组成的重要传动零件之一, 其作用是连接活塞与曲轴, 将作用在活塞上的力传给曲轴, 使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动, 对外输出做功。连杆工作时, 小端作往复运动, 大端作旋转运动, 杆身作复杂的平面运动, 因此连杆的受力情况十分复杂 。连杆也是承受负荷最严重的零件之一, 同时承受活塞传来的气体压力、往复惯性力和本身摆动时所产生的惯性力作用。连杆一旦出现弯曲和扭曲, 会产生活塞拉缸外, 还会导致活塞、汽缸、曲轴等机件出现不正常的磨损, 很容易引起疲劳破坏而断裂, 从而造成极严重的后果。因此，对连杆的优化设计尤为重要，而对连杆部件进行静态分析可以为连杆的优化设计等提供理论依据。 4.2.1 连杆部件模型的简化 此项目以V8发动机连杆为研究对象, 其主要尺寸参数如下:连杆小头端内直 33 径22mm，外直径30mm，连杆大头端内直径57mm，外直径67mm，连杆长104mm。在UG中将建好的连杆的三维模型保存为STEP 文件，接着导入ANSYS Workbench的Geometry 中。在不影响结构动态特性的原则下, 对曲轴体内小尺寸的结构进行了省略简化处理, 建成的曲轴三维实体模型如图4-6所示: 图4-6 连杆的简化三维模型 4.2.2 连杆部件模型参数与边界条件的设置 1(模型参数的设置 进行静态分析前曲轴的材料参数设置，材料参数设置如表4-1所示: 表4-1 材料特性 材料 40Cr 弹性模量 200GPa 泊松比 0.3 密度 7850kg/m 2(网格划分 进入Modal 模块进行网格划分，网格划分采用四面体网格，网格大小合适，单元尺寸设置为0.01m，共有10929个节点，6089个有限单元，有限元模型如图4-7 所示。 34 图4-6 连杆的简化三维模型 3(约束条件和施加载荷 边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。在实际工程中, 汽车连杆的大头孔是与轴承配合的, 而小头孔的90?范围内受到面压力的作用。 “ANSYS” 中选取大圆孔的内表面以及Y = 0 的所有面施加对称约束, 在小孔的内表面上施加面压力,本次项目直接在连杆上施加均布载荷的方法，施加力为7.86E-6Pa。约束跟载荷的施加情况如图4-7所示: 图4-7 约束跟载荷的施加 4.1.3 结果后处理分析 连杆应力分析云图、应变分析云图跟总变形分析云图分别如图4-8、图4-9、图4-10所示，从图4-8我们可以发现，应力最大处出现在小头端与杆身的接触 35 部分，从图4-9可以看出最大应变也是小头端与杆身的接触处。而从总变形分析云图里面可以看出最大变形在小头杆内表面。 图4-8 连杆应力分析云图 图4-9 连杆应变分析云图 图4-10 连杆总变形云图 36 结 语 V8发动机作为高端发动机中的一种，不仅有着复杂的结构，还隐藏着众多原理，此次毕业设计任务主要体现在三个部分，基于UG对V8发动机进行建模展示结构，基于UG做运动仿真展示原理以及基于ANSYS Workbench软件对V8发动机主要传动部件进行有限元分析。第一部分，根据建好的模型对发动机的主要机构进行图文展示以及对一些结构进行解析，便于读者了解相关的部件名称，掌握部件相应的功能等等。第二部分，把装配好的主要运动部分进行仿真，论文展示了详细的仿真过程，如装配体的导入，连杆的设置，运动副的设置，为了检验仿真正确性还对仿真过程进行了检验分析，通过仿真里面各个缸体的工作情况跟理论工作情况进行对比，让仿真更具有说服力。第三部分，对曲轴跟连杆进行有限元分析，我们都知道曲轴跟连杆是发动机中最主要的传动部件，对他们进行有限元分析时意义重大，可以为连杆跟曲轴的优化设计提供有力的理论。 通过此次毕业设计，不仅充实了我对发动机的知识，提高了我对UG软件的使用能力，学习了一些新软件的使用。更让我学习到了发现问题、多分析问题和解决问题的能力。 37 参 考 文 献 [1] 谭本忠(看图学修汽车发动机机械系统(机械工业出版社，2012( [2] 陈新亚(汽车构造透视图典:发动机与变速器(机械工业出版社，2012( [3] 陈家瑞(汽车构造(机械工业出版社，2009( [4] 应华，熊晓萍，姜春晓(UG NX 5.0 机械设计完全自学手册(机械工业出版社，2008( [5] 黄志新，刘成柱(ANSYS Workbench 14.0超级学习手册(人民邮电出版社，2013( [6] 张晋西，张甲瑞，郭学琴(UG NX机构运动仿真基础及实例(清华大学出版社，2012( [7] 李松波，马星国，韩辉. 发动机曲轴的模态分析[J] . 沈阳工业学院学报， 2008， 22(4): 72-74. [8] 杨国旗，虞彪.基于ANSYS WORKBENCH的发动机连杆有限元分析[A] .装备制造技术， 10):23-25. 2011，( [9] 徐建全，郑秋文.发动机连杆三维实体建模和有限元分析[A]. 福建工程学院学报，2008，(6):73-83. [10] 徐中华，张茜，程伟.基于UG 和ANSYS 的四缸曲轴有限元模态分析[A] .机械工程自动化，2009，(4):18-19. [11] 张宏远，庞丽丽，杨晓雨. 六缸发动机曲轴模态分析[A] .科技创新导报，2008，(15):60. 38 Abstract Engine as one of the most important parts of the car, not only has a complex structure, but also hidden many incomprehensible principle, V8 Engine is the one which enjoys a high status, for car enthusiasts, car users, car repairers and many other people, grasping its structure and the principle of practical significance is meaningful .The graduation design is mainly Modeling the V8 Engine structural based on UG to show models, doing sports simulation to show principle and Doing finite element analysis for main transmission parts by ANSYS Workbench. It is vividly to combine structural model with the working process elaborate to show how it works. So, Doing this graduation design is meaningful from a technical point of view and requirements of the times.Readers can read the engine model structure (Pictures) combined with the image of the work process and demonstrate to understand how it works visually, it is easier for readers to understand and grasp. Keywords: V8 Engine ; UG ; motion simulation ; finite element 39 致 谢 通过几个月的学习跟忙碌，此次毕业设计也将结束了，在做这个毕业设计过程中，由于对发动机这方面的知识比较欠缺，资料也是比较泛，经常会缺乏思路找不到方向，遇到了很多难题。在此，我要感谢张日红老师的帮助，还有跟我一起学习的同学，让我顺利完成了此次毕业设计。 在毕业设计过程中，遇到了许多困难与问题。首选，我想感谢指导老师的悉心的帮助跟指导，当思路不清晰是给我方向，悉心教我学习软件，在论文的撰写过程中也给了许多宝贵的建议跟意见，这些不仅让我感受到了老师扎实的专业知识，更让我体会到了老师耐心的教学态度，我也将会以老师这些优良的品质为榜样，在今后的学习跟工作中更加积极努力。我还想感谢跟我一起学习探讨的同学，在你们的陪伴下也让我的毕业设计过程充满了乐趣。最后我要感谢学院的老师们对我们专业知识的指导，感谢学校学院给我这个学习的机会，这将是我毕业前一次最刻骨铭心的一次大学习。 40 41