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 (5)
2、机构的三维实体建模 (6)
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 (7)
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。
排气阀
进气阀
凸轮5
缸体4
推杆6
活塞3
连杆2
曲轴1
齿轮
齿轮
齿轮9
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P L=8，高副数目P H=4，因而机构自由度
F=3n-2P L-P H=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.。