摆盘发动机的隔振及振动特性的仿真分析

    摆盘发动机具有体积小、功率大的特点,因而经常用作水下航行器的主动力装置.由于转速高、功率大,摆盘发动机的振动与噪声历来是研制人员关注的重点与难点.复杂的结构与传动关系使得摆盘发动机的研制成本高、试验周期长,不利于发动机的推广与应用.为此,采用近年来流行的虚拟样机技术,通过发动机主要部件的运动仿真分析,揭示发动机部件的运动学与动力学特性,了解发动机部件结构参数的优化方案,已经成为摆盘发动机研制的新途径[1-2].

    为了减小发动机振动向载体的传递,摆盘发动机通常需要通过一定的隔振装置与载体相连,这又给发动机部件的运动仿真带来复杂性.关于这方面的研究工作,迄今未见国内外的相关报道.本文运用虚拟样机技术,利用三维建模软件UG,建立了摆盘发动机的三维模型.通过改变发动机关键部件的结构参数,研究了发动机在不同结构条件下的运动特性与部件受力情况,分析了发动机在不同支承刚度下的振动特性,为摆盘发动机的研制以及结构参数优化提供了参考.

    1 传动机构原理

    摆盘发动机属于外燃机.燃料在燃烧室中进行燃烧反应,生成高温高压的燃气工质,由旋转配气机构将其分配到各气缸,进行热功转换,推动活塞往复运动,并通过空间连杆机构将往复运动转换成主轴的回转运动.

    从结构上看,摆盘发动机属于筒形活塞发动机,各气缸的中心线围绕功率输出轴的轴线均匀布置.与传统的以柴油机为代表的平面曲柄连杆机构活塞发动机相比,摆盘发动机是一种空间连杆机构,特别适合于安装空间狭小而又需要获得较大功率的场合.

    摆盘发动机的主要部件包括:活塞、连杆、摆盘、装有斜轴的主轴以及包含各气缸在内的发动机机体.其中,活塞相对于气缸作往复运动,连杆与摆盘作空间运动,斜轴与主轴作回转运动.其传动机构原理如图1所示[3].

    2 运动仿真模型的建立

    利用三维实体建模软件UG建立了摆盘发动机的运动仿真模型.其中包括:气缸、活塞、连杆、摆盘、斜轴、主轴、发动机外壳以及载体等.建模过程中,对发动机的结构进行了适当的简化,忽略了与运动无关的部件.考虑到需要进行隔振条件下的仿真,在发动机外壳前后两端与载体之间沿周向均匀布置了16根弹簧以模拟整个发动机隔振系统.所建立的摆盘发动机的模型如图2所示.

    在上述模型中,缸径为80 mm的5个气缸均匀分布在中心圆直径为260mm的圆周上,连杆长度取为170mm,连杆后球分布圆直径取为240 mm,摆盘倾角的取值范围为14~22b.发动机隔振弹簧的刚度也选取了不同的方案,以便进行振动特性的比较.