系统动力学仿真课程论文（基于ADAMS的曲轴系统动力学仿真）

制造过程测试技术论文

课程： 制造过程测试技术

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基于ADAMS的曲轴系统动力学仿真

XX 1 ，XX 1

（1.XXXXX XX，XX XX XXX）

摘要：采用三维设计软件Pro/E对发动机曲轴系统进行结构设计，建立包括曲轴、活塞组、连杆组以及飞

轮在内的发动机模型，运用机械仿真软件ADAMS搭建发动机曲轴系统的机构模型，同时对该系统进行运动学和动力学仿真分析。具体分析了曲轴系统中气缸活塞的位移、速度和加速度的运动规律，以及曲柄销受力情况，同时对作用在曲轴上的扭矩进行分析，对提高发动机的性能有一定的参考意义。

关键词：ADAMS；曲轴，动力学仿真

Dynamic Simulation Analysis of Crankshaft System

Based on ADAMS XXX1, XXX 1

(1.XXXXXXX)

Abstract: The structure design of the engine crankshaft system was carried out by using three-dimensional design software Pro/E. The engine model including crankshaft, piston, connecting rod and flywheel was established. The mechanism model of the engine crankshaft system was built using mechanical simulation software ADAMS, and the kinematic and dynamic simulation analysis of the system was carried out. The displacement, velocity and acceleration of cylinder piston in the crankshaft system are analyzed, and the force of the crank pin is analyzed.

Keywords: ADAMS; Crankshaft; Dynamic simulation

与其制造方法也有直接关系，目前常用的曲轴1. 引言

有整体式和组合式，整体式曲轴具有重量轻、

曲轴是发动机最重要的零部件之一，其可靠

刚度和强度高、加工表面少的特点。本次曲轴

性直接关系到整个发动机的安全运转，由于大爆

系统的实体模型在Pro/E中建立，如图1所示，

发压力、各种惯性力、附件的不规则阻力矩和外

利用Pro/E设计曲轴系统的各个零部件，然后

界反作用力，使得曲轴系统在运转时承受着复杂

将每个零部件组装为曲轴组件。

的交变载荷。由于发动机的曲轴系统机构是由一系列几何形状和质量不相同的零部件所组成，且主轴通过多个轴承与气缸体连接。而实际发动机工作过程中，曲轴需要承受活塞连杆传递的交变载荷，受力情况十分复杂。采用传统的运动学分析方法比较难以完成对曲轴系统运动过程的精确分析，不能够很好的反映曲轴的实际运行状态下的力学特性。鉴于此，本文运用机械系统仿真软件ADAMS，通过建立包括活塞、连杆和曲轴在内的曲轴系统的动力学模型，计算出各构件的运

动规律和作用力，分析结果对提高曲轴系统的设

图1 发动机曲轴系统原始模型

计效率有一定的参考作用。

2.2 曲轴系统模型简化

2. 曲轴系统模型建立

曲轴轴系动力学仿真模型主要包括曲轴的模型、活塞组件、连杆组件和飞轮的刚体模型，以及各构件间的连接副。 2.1 曲轴系统三维模型建立

曲轴的结构除了与材料和加工工艺有关外，

1

为了方便使用ADAMS进行添加约束，减小仿真计算的复杂性，对曲轴系统的装配模型进行如下的简化：

（1）删除对动力学分析不产生关键影响的零件。

（2）将活塞简化为圆柱形，将活塞外侧及销

轴的密封圈去除。

（3）将曲轴分为单个曲柄，整个曲轴活塞连杆机构就演变为4个如图2所示的曲柄滑块机构的组合。

图2 曲柄滑块机构

其中OA、AB为曲柄、连杆，B为活塞，M1、M2为连杆等效质量。

（4）将曲轴系统的主轴上的轴承以及支撑架简化，在ADAMS中进行施加约束替代。 2.3 曲轴系统ADAMS建模

如图3所示，在Pro/E中打开曲轴模型，然后另存为.x-t格式后将其导入仿真软件ADAMS中，并为曲轴系统各零部件设置相应的材料和质量属性。需要做如下准备工作： （1) 检查模型导入正确后将构建材料参数设置为

steel材质。 （2) 将部分构建设置为一体以方便添加约束，比

如飞轮和曲轴主轴、曲柄和连接主轴的连接螺丝等。 （3) 设置曲轴系统各机构间以及构建与地面之间

的约束，如活塞运动方向为Y方向，主轴围绕X轴旋转等。 （4) 为曲轴的旋转添加动力，设置曲轴的主轴为

匀速旋转。

通过上述步骤，已经成功将曲轴系统的约束添加完毕，即可进行动力学仿真，将曲轴视为匀速旋转，稳态仿真工作循环，将仿真时间设置为30s，仿真结束后通过相应操作即可非常方便的取得曲轴系统的各个运动参数。

2

图3 曲轴系统ADAMS仿真模型

3 动力学仿真及结果分析

3.1 气缸活塞的位移、速度、加速度仿真分析 (1) 比较图4，活塞的位移呈正弦曲线周期性变化，在活塞上止点位移最大值为181.1395mm，下止点位移最大值为103.141mm，活塞行程为77.9985mm。上止点与下止点相位差为180°。其中第1缸活塞和第4缸活塞位移曲线相同，第2缸和第3缸位移曲线相同，相位角相差为180°。

图4 气缸活塞位移变化比较曲线

(2) 内燃机在稳定运转时，平均转速是不变的，但是瞬时转速和每个活塞的速度是波动的。比较图5，各气缸活塞的速度曲线呈正弦曲线周期变化，其速度最大值为85.296mm/s，最小值为-85.4127mm/s，活塞1最大值与最小值发生位置相位差为90°，其中第1缸活塞和第4缸活塞位移曲线相同，第2缸和第3缸位移曲线相同。

图5 气缸活塞速度变化比较曲线

(3) 比较图6，各气缸加速度曲线呈周期变化，在气缸活塞最大加速度位置存在波动现象，加速度最大值为120.924mm/s2，加速度最小值为-222.9649mm/s2，其中第1缸活塞和第4缸活塞位移曲线相同，第2缸和第3缸位移曲线相同。

图6 气缸活塞加速度变化比较曲线

对比活塞的位移、速度、加速度曲线可以发现，当1、4活塞在上止点位置时，2、3活塞在下止点位置，此时1、4活塞与2、3活塞分别达到上止点与下止点最大值，各活塞速度为0，加速度达到正向和反向的组呆滞，相位差为180°。 3.2 活塞销受力仿真分析

通过观察图7，活塞销的手里呈周期性变化且存在波动现象,最大受力为0.1697N。。

图7 活塞销受力曲线

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3.3 曲轴扭矩仿真分析

图8为曲轴扭矩变化曲线。由图可看出曲轴的扭矩呈正弦周期性变化，曲轴扭矩最大值为13.5579N·mm，最小值为1.3848N·mm。曲轴轴承承受交变载荷的冲击。

图8 曲轴扭矩曲线

4 结语

通过三维建模软件Pro/E建立发动机曲轴系统的虚拟样机模型，导入仿真软件ADAMS中对该曲轴系统进行了动力学仿真分析，包括气缸的4个活塞的位移、速度、加速度，活塞销受力以及曲轴的扭矩各种参数，通过这些参数可以直观的观察曲轴系统在任意位置的数值变化，对发动机曲轴的优化设计有一定的参考意义。

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