机械原理课程虚拟样机仿真.docx

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机械原理课程虚拟样机仿真

机械原理课程虚拟样机仿真

实验报告

题目：

基于ADAMS的单缸四冲程内燃

机

仿真与分析

姓名：

苏雨

学号：

14041032

班级：

140411

2016年5月8日

基于ADAMS的单缸四冲程内燃机仿真与分析

14041032苏雨

北京航空航天大学能源与动力工程学院

摘要

本文主要针单缸四冲程内燃机，首先绘制机构的运动简图，理论验证机构工作原理的可行性；然后使用SolidWorks软件对机构进行三维实体建模，使用ADAMS软件对机构进行仿真与分析。

通过仿真，不仅验证了单缸四冲程内燃机原理的可行性，而且对机构传力特性的分析，验证了此机构设计的合理性。

关键词：

ADAMS；单缸四冲程内燃机；建模；仿真与分析。

目录

1、机构简单分析4

2、机构的三维实体建模5

3、机构的ADAMS仿真分析6

3.1模型的导入6

3.2模型的完善6

3.3机构分析7

4、机构拓展（此部分也可省略不写）8

4.1其它四冲程内燃机简介8

5、结束语9

参考文献:

10

1、机构简单分析

图1为单缸四冲程内燃机，其工作原理的描述可参考图2。

该机器内含有三种机构：

曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构。

其中，由缸体4、活塞3、连杆2和曲轴1等组成曲柄滑块机构，用于实现移动到转动运动形式的转换。

由凸轮5和推杆6组成凸轮机构，主要在于凸轮5利用其特定轮廓曲线使推杆6按指定规律作周期性的往复移动；齿轮1'、9、5'组成齿轮机构，其运动特点在于将高速转动变为低速转动。

上述三种机构按照一定的时间顺序相互协调、协同工作，将燃气燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能，从而使这台机器输出旋转运动和驱动力矩，成为能作有用功的机器。

图1内燃机

单缸四冲程内燃机的工作原理如图2所示，当燃气在缸体内腔燃烧膨胀而推动活塞移动时，通过连杆带动曲轴绕其轴线转动。

为使曲轴得到连续的转动，必须定时地送进燃气和排出废气，这是由缸体两侧的凸轮，通过推杆、摆杆，推动阀门杆，使其定时关闭和打开来实现的（进气和排气分别由两个阀门控制）。

曲轴的转动通过齿轮传递给凸轮，再通过推杆和摆杆，使阀门的运动与活塞的移动位置保持某种配合关系。

以上各个机件协同工作的结果，将燃气燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能，从而使这台机器输出旋转运动和驱动力矩，成为能做有用功的机器，能使飞机飞行，也能使汽车行驶、船舶航行。

图2单缸四冲程内燃机的工作原理

经分析可知，此机构活动构件数目n=7，低副数目PL=8，高副数目PH=4，因而机构自由度

F=3n-2PL-PH=3×7-2×8-1×4=1

因为此机构的自由度为1，而机构的主动件数目也为1，所以机构具有确定运动。

2、机构的三维实体建模

使用SolidWorks软件建立的三维实体模型如下图所示。

为便于观察机构的内部机构，在建模时对内燃机外壳进行了适当的剖切。

正视图侧视图俯视图

轴测图

3、机构的ADAMS仿真分析

3.1模型的导入

将使用SolidWorks软件建立的三维实体模型，按照单一零件的方式逐一导入adams软件，再改变这些零件的相应坐标，使得零件移动到相应位置。

3.2模型的完善

导入完成后，添加零件之间的连接运动副。

最后添加驱动。

对于齿轮传动和凸轮连接部分，我使用adams机械包中的齿轮和凸轮组件完成。

其中，添加到机构上的主运动为30d*sin（time），添加在发动机曲轴上。

在完善模型后，可对机构进行仿真。

3.3机构分析

（1）运动分析

把曲轴转两圈（720°），活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四冲程内燃机。

单缸四冲程内燃机工作分为以下四个冲程。

吸气冲程

进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气混合物进入气缸。

压缩冲程

进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，汽油与空气混合物被压缩。

把机械能转化成内能。

做功冲程

压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。

高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。

四个冲程中只有做功冲程对外做功，其他三个冲程都是靠做功冲程的惯性完成的。

把内能转化成机械能。

排气冲程

进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。

（2）力学特性分析

在我设计的的单缸四冲程发动机中，我运用adams分别研究了凸轮和气门，曲轴和连杆在运动时的压力角随时间的变化关系并运用adams中的设计探索功能绘制压力角随时间的变化图像。

凸轮和气门在运动时压力角随时间的变化图像

曲轴和连杆在运动时的压力角随时间的变化图像

4、机构拓展

4.1其它内燃机简介

六冲程内燃机

六冲程内燃机，包括气缸、活塞、进气门、排气门和曲轴，其完成一个工作循环包括气缸、活塞、进气门、排气门和曲轴，其完成一个工作循环包括吸气冲程、压缩冲程、做功冲程，所述的吸气冲程是，进气门打开，活塞由上止点向下止点移动，混合气被吸入气缸，压缩冲程是，进气门关闭，活塞由下止点向上止点移动，气缸内混合气被压缩，做功冲程是，活塞移动接近上止点时，火花塞提前点火，混合气燃烧，燃烧产生高温高压气体在气缸内膨胀，将活塞由上止点向下止点推动。

与四冲程内燃机相比，有三大优点：

从经济性相比其耗油量只有四冲程内燃机的二分之一；从动力性相比其升功率要比四冲程内燃机大35%；从环保方面相比其有害废气排量只有四冲程内燃机二分之一。

[1]其特征在于：

活塞移动到下止点时，开始放气压缩冲程，排气门打开，一部分废气迅速排出，排气门关闭，活塞由下止点移动到上止点，气缸内剩余的部分高温气体被压缩，活塞移动到上止点，开始喷水膨胀冲程，喷水泵通过气缸上设有的喷水嘴向气缸里喷水，水接触到焰热的气体，产生水爆，汽水混合物体积急剧地膨胀，产生的高压气体推动活塞从上止点向下止点移动，最后是排气冲程，排气门第二次打开，废气和水蒸汽迅速排出。

结构示意图

转子发动机

转子发动机与传统往复式发动机的比较：

往复式发动机和转子发动机都依靠空气燃料混合气燃烧产生的膨胀压力以获得转动力。

两种发动机的机构差异在于使用膨胀压力的方式。

在往复式发动机中，产生在活塞顶部表面的膨胀压力向下推动活塞，机械力被传给连杆，带动曲轴转动。

转子发动机，对于转子发动机，膨胀压力作用在转子的侧面。

从而将三角形转子的三个面之一推向偏心轴的中心。

这一运动在两个分力的力作用下进行。

一个是指向输出轴中心的向心力，另一个是使输出轴转动的切线力（Ft）。

转子发动机

5、结束语

使用SolidWorks三维建模软件和ADAMS虚拟样机仿真分析软件，不仅可以快速方便的建立机构的三维模型，而且能够对机构进行运动学与动力学仿真。

这对于机构的设计和验证有重要意义。

其中，由于虚拟样机有别于物理样机，只要能够表达机构真实的运动情况即可，并不需要完全再现机构本身的所有细节。

而且虚拟样机具有低成本，易复制，易系列化等特点，这对于节约设计成本和缩短产品开发周期有重要意义。

相对soildworks，adams操作相对复杂，但是其能够模拟出机构的工作状态。

参考文献:

[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2009年2月.

[2]郭卫东.机械原理（第二版）[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2012年10月.

[3]郭卫东.机械原理实验教程[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2013年9月.