Achates动力（有限）公司正在开发一个重量轻、低排放、低油耗的二冲程、对动活塞柴油发动机，将其设计成为一个名为A40的模块化、可扩展的机械装置。Achates动力（有限）公司利用最为先进的分析工具和方法，使建模与仿真成为实现该项目的重中之重。

结构动力学分析领域，焦点是整体动力学，例如扭振和弯曲振动，包括扭振减振器（TVD）和飞轮布置，以及（液力）轴承分析。重点是概念设计，以及关于整体尺寸及重量的结构和动力学改进等领域。在此利用了一种混合的方法，从而将多体仿真（MBS）和有限元分析（FEA）的优势有机结合了起来。

本案例讨论了基于MSC ADAMS的结构动力学仿真关于如下方面的应用：

1.发动机缸体支撑结构灵敏度对于轴承负载的影响：由于在往复质量块的相对运动期间力被部分抵消，因此与峰值气缸压力相比，A40对动活塞发动机具有相对较小的主轴承负载。这使得在保持轴承具有足够支撑的同时，大量优化支撑结构的重量。

2.缓解齿轮共振：该机械装置的两个曲轴由一套齿轮进行正时。在测试期间，运转速度范围内检测出齿轮共振，导致了相邻主轴承负载的大幅增加。通过对灵敏度的研究，找到了解决运转速度范围内共振的最佳解决方案。

关键字：

行业：汽车制造业

挑战：开发一种重量轻、低排放、低油耗的柴油发动机

MSC公司的解决方案： MSC Adams以及基于Adams的FEV Virtual Engine。

价值：

证实结构完整

实现组件优化

减轻总体重量

引言

由于有限的石油供应以及对碳排放的限制，世界的根本需求是拥有提高燃油效率的更好的发动机。与目前市场上的传统发动机相比，对动活塞柴油发动机具有热力学方面的优势（气缸盖内部无热损失），其更低摩擦（无气门结构，活塞侧低负载），也具备大规模提高燃油效率的潜力。由于在保持传统的制造方法的同时降低了部件的数量，该发动机的一个最大的优势是成本的降低。除了热力学的优势外，因为对动活塞柴油发动机是一种两冲程发动机，具有低引擎机制复杂性的优势，与传统的发动机结构相比，自然重量更轻。为了在保持充分耐久性的同时进一步减轻重量，需要使用先进的分析方法，将多体仿真（MBS）、有限元分析（FEA）、优化和疲劳分析有机结合起来。

基于Adams的FEV Engine已经当作所选的多体模拟软件，与部件模态综合（FEA软件）结合使用，从而降低核心结合组件的自由度，例如保持几乎完整结构信息的曲轴和发动机缸体。该方法能够以合理的运行时间，在保持完全组件交互的同时大范围探究运行状况。

建模

对动活塞式发动机中，置于同一气缸的两个相对的活塞在上止点走到一起，发生燃烧后反方向移动。

对动活塞A40发动机架构，采用了创新的机制推动活塞。每个气缸之中的两个活塞通过六个连杆与两个曲轴连接，从而创建了一个纯粹的轴向活塞运动，在理想状态下不存在活塞侧向力。连杆具有张力，致使主轴承的反作用力输送至缸体而不是轴承盖。此外，A40对动活塞的运动类型，使得燃烧力部分取消。以上两点使该发动机能够使用一种轻量级的支持结构。两个曲轴通过一个齿轮传动系和一个单独的飞轮相连，安装在从动轴之上。图1为建立在弹性支撑结构上的A40四缸曲柄连杆机构模型以及齿轮传动系的后视图。该机械装置初看可能会显得十分复杂，但是实际上，它的组成部件数量仅为传统发动机一半。

本研究中的论证结果将重点用于四缸Achates动力A40发动机。

利用ADAMS软件提供的不同层次细化建模，曲柄连杆机构从一个纯粹的具有刚性组件和约束轴承的运动组件模型变为一个由液力轴承支撑的全柔性体模型。 Adams可以方便地通过柔性部件替换任意刚性部件，从而提高分析的准确性。

该软件结合了具有发动机组件库的通用开放体系多体模拟（MBS）代码的各种优势。因此，针对如连杆、活塞和其他大量发动机具体组件提供了“按键式”的执行方式。因此，Adams能够充分支持这种多曲轴、单气缸内多个连杆机构的需求。

正时齿轮模块已被用于包括齿轮接触和间隙在内的齿轮传动系动力学建模，因此能够在该机构内进行完整的组件交互。齿轮刚度和冷却间隙已经实验确定，并作为提供值输入模型之中。基于齿轮的啮合点、材料组合和温度，已经得出运行温度条件下的间隙。间隙和啮合的错误可能会导致整个机械装置出现严重的冲击激励，因此准确地模拟这些参数是非常关键的。

图1带柔性部件FEV Engine曲柄连杆机构 图2 支撑结构的灵敏度及对曲轴弯曲的影响