缸间齿轮联动液压发动机连杆优化设计

高雷 张洪信 徐威 徐东

摘 要：缸间齿轮联动液压发动机（Gear-linked Cylinders Hydraulic Engine ，GCHE）是一种具有较好的综合性能的新型液压发动机。连杆作为发动机核心运动部件之一，必须对其进行优化设计。基于Isight软件集成ANSYS进行连杆建模分析并优化。通过优化，GCHE连杆相对初始设计减少26.13%，满足强度要求，结构更加合理。为缸间齿轮联动液压发动机曲柄连杆的有效设计提供了分析方法和依据。

关键词：连杆；优化设计；Isight

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.061

0 引言

缸间齿轮联动液压发动机（GCHE）集成传统往复活塞式内燃机和往复式柱塞泵的原理，利用缸间齿轮齿条机构完成运动和动力的传递，曲轴飞轮组在机体一侧，实现活塞行程控制和附属系统的驱动[1]。连杆作为发动机的核心主运动部件之一，必须对其进行结构优化设计，以达到最佳工作状态。

1 连杆优化模型

GCHE连杆是以上柴D6114发动机连杆为参考，根据发动机性能要求作修改而成。为方便优化，减少计算量，对连杆结构进行简化，并采用连杆1/2模型，其优化模型如图1所示。

如图1所示，连杆优化问题中设置了8个设计变量，x1为连杆大头孔半径；x2为连杆大头厚度；x3为连杆小头外圆半径；x4为连杆大头外圆半径；x5为连杆小头过渡圆半径；x6为连杆大头过渡圆半径；x7为连杆杆身半宽度；x8为连杆杆身厚度。

因为由交变载荷的作用发生断裂是连杆最主要的失效形式，所以，连杆在满足轻质的同时，还必须要保证有足够的强度。连秆还要满足有一定的刚度，以避免由于连杆大小头端过度变形而造成活塞和曲轴的剧烈磨损。同时，为了保证连杆能够正常工作，还要对连杆的稳定性提出要求[2]。

综上所述连杆优化模型为

式中，△Rmax（Xr）为连杆大头最大变形约束函数，最大值为0.18mm； σmax（Xr）是連杆疲劳应力约束函数，最大值为2.78×108 Pa；σx（Xr）是连杆稳定应力（传力方向的压应力）约束函数，最大值为1.865×108 Pa；对各设计变量设置取值范围；目标函数为连杆体积V（Xr）最小。

2 模型求解

在Isight软件中搭建优化平台如图2所示，该优化模型由两个模块组成：Simcode通用组件与优化组件。Isight软件中Simcode组件可集成目前各学科领域的大多数软件，此处用来集成ANSYS软件，在ANSYS里进行连杆的参数建模并分析，将设计变量、输出响应映射到Isight中。优化组件用来选择优化算法、设置设计变量、约束函数与目标函数等。连杆优化选用梯度优化算法中的序列二次规划NLPQL算法。

经过80次迭代优化，最终满足约束条件的最优体积为1.4250×10-4m3，比初始体积1.9292 ×10-4m3减小了26.13%，优化效果显著，其体积变化如图3所示。

3 结论

建立了缸间齿轮联动液压发动机连杆优化模型，利用Isight软件集成ANSYS进行连杆建模分析与优化，最终求得最优解，连杆体积减小26.13%，优化效果显著。

参考文献：

[1]张洪信.一种齿轮联动液压发动机：中国， CN201310015184.4[P]. 2013（04）.

[2]孟祥踪.基于三缸HCPE虚拟样机的动力学仿真分析及连杆优化设计[D].青岛：青岛大学，2012.

作者简介：高雷（1990-），男，硕士研究生，研究方向：车辆新型动力传动技术。