（机械工程专业论文）搭载双质量飞轮的混合动力传动系统设计与匹配性研究.pdf

摘要 混合动力汽车作为未来汽车的主要发展方向，混合动力汽车的动力匹配性 研究的重要性越发明显，而关键技术在于多动力耦合器的设计与选择。发动机 与电机两种不同形式动力的高效匹配，设计基于双质量飞轮的多动力耦合器与 混合动力传动系统匹配性是本文的研究重点。 本文是以搭载双质量飞轮混合动力汽车传动系统作为研究对象，围绕传动 系统在以下方面进行研究：1 混合动力汽车的多动力形式；2 混合动力汽车的 动力参数化匹配；3 双质量飞轮力矩耦合器关键技术的研究：4 基于整车模型 的优化及验证。 首先，基于混合动力汽车的多种模型，分析国内外的发展与研究现状，提 出混合动力汽车动力多样性，并结合现有多动力耦合技术。基于双质量飞轮作 为多动力耦合器的基础部件，以混合动力传动系统的匹配性作为本文的研究内 容。 其次，根据混合动力汽车的动力形式，研究发动机的扭振与发动机转速、 功率之间的关系，建立相应的简谐力学模型；分析同步电机在外界力矩作用下 失稳，扰动对电机功率的输出与输入的影响；并建立汽车道路工况下，路谱与 整车传动系统的关联模型。 第三，参照现有主流车型，进行参数化设定，并基于a d v i s o r ，完成虚拟车 型的构建，包括发动机、同步电机和发电机的理想工作转速区间、转矩及功率 等要素选择与计算。 第四，作为多动力耦合器的核心组件，推导计算双质量飞轮的长弧形弹簧 设计理论，并结合静态刚度测试和动态扭振减振测试，推到出双质量飞轮的力 学动态模型；并基于二自由度模型，将双质量飞轮匹配到整车中，研究双质量 飞轮的传递效率，并构建双质量飞轮多动力耦合器工作原理模型。 最后，利用m a t l a b s i m u l i n k 模块，建立混合动力汽车的整车模型，分析 基于特定工况下的汽车传动系统的动态性能，并对与之相匹配的双质量飞轮耦 合器进行参数化设计与匹配性研究。 关键字s 混合动力汽车，双质量飞轮，多动力耦合，传动效率 a b s t r a c t h y b r i dv e h i c l e sa st h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n f o rt h ef u t u r eo ft h e a u t o m o b i l e ，t h eh y b r i dv e h i c l ep o w e rm a t c h i n gt h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c h i s b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yc l e a rt h a tt h ek e yt e c h n o l o g yi st h ed e s i g na n ds e l e c t i o no f m u l t i - p o w e rc o u p l e r t w od i f f e r e n tf o r m so fp o w e rf o rt h ee n g i n ea n dm o t o rm a t c h ， m a t c h i n gd u a l - m a s sf l y w h e e l - b a s e dm u l t i - d y n a m i cc o u p l i n gw i mt h eh y b r i dd r i v e t r a i ni st h ef o c u so ft h i ss t u d y t h i sa r t i c l ei se q u i p p e d 、i t l ld u a l - m a s sf l y w h e e lh y b r i dv e h i c l ed r i v es y s t e ma s t h eo b j e c to fs t u d ya r o u n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi nt h ef o l l o w i n ga r e a s - 1 f o r mo f m u l t i p o w e rh y b r i dv e h i c l e s ；h y b r i dv e h i c l e s ，t h ek i n e t i cp a r a m e t e r so ft h em a t c h ； d o u b l em a s s f l y w h e e lt o r q u ec o u p l e rk e yt e c h n o l o g i e s ；v e h i c l e m o d e l b a s e d o p t i m i z a t i o na n dv a l i d a t i o n f i r s t l y , b a s e do nav a r i e t yo fm o d e l so fh y b r i dv e h i c l e s ，a n a l y s i so f t h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hp r e s e n t e dt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e d i v e r s i t y , c o m b i n e d 、析t l lt h ee x i s t i n gm u l t i - d y n a m i cc o u p l i n g t h eb a s i cc o m p o n e n t s o ft h ed u a lm a s sf l y w h e e la sa m u l t i - p o w e rc o u p l e r , t h em a t c h i n go f t h eh y b r i dp o w e r t r a i n a st h ec o n t e n to ft h i sa r t i c l e s e c o n d l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r i v i n gf o r c ei nt h ef o r mo fh y b r i d v e h i c l e s ，t h er e s e a r c he n g i n et o r s i o n a l v i b r a t i o na n dt h ee n g i n es p e e d ，p o w e r , h a r m o n i cm e c h a n i c a lm o d e l ；s y n c h r o n o u sm o t o ri n s t a b i l i t y , d i s t u r b a n c e si nt h e e x t e r n a lm o m e n to fm o t o rp o w e ro u t p u ta n di n p u t ；a n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e a s s o c i a t i o nm o d e lo ft h ev e h i c l er o a dc o n d i t i o n s ，r o a ds p e c t n a n 、i mt h ev e h i c l e t r a n s m i s s i o n t h i r d l y , 、i t l lr e f e r e n c e t o e x i s t i n gm a i n s t r e a mm o d e l s ，p a r a m e t r i cs e t t i n g s ， b a s e do nt h ea d v i s o r , c o m p l e t e dt h ec o n s t r u c t i o no fv i r t u a lm o d e l s ，i n c l u d i n gt h e i d e a lw o r k i n gs p e e dr a n g eo ft h ee n g i n e ，s y n c h r o n o u sm o t o r sa n dg e n e r a t o r s ，t o r q u e a n dp o w e r f o u r t h l y , 鹪ac o r ec o m p o n e n to ft h em u l t i - d y n a m i cc o u p l i n gi sd e r i v e dt o c a l c u l a t et h el o n gc u r v e ds p r i n gd e s i g nt h e o r y , c o m b i n e dw i t ht h et e s to ft h es t a t i c s t i f f n e s sa n dd y n a m i ct o r s i o n a lv i b r a t i o nd a m p i n gt e s t ，p u s h e dt ot h em e c h a n i c a l d y n a m i cm o d e lo ft h ed u a l m a s sf l y w h e e l ；a n db a s e d0 1 1t w od e g r e eo ff r e e d o m m o d e lt om a t c ht h ed u a l m a s sf l y w h e e lt ot h ev e h i c l et os t u d yt h ee f f i c i e n c yo ft h e h t r a n s f e ro fd u a l - m a s s f l y w h e e la n db u i l d ad u a l - m a s s f l y w h e e lp o w e rc o u p l e r o p e r a t i n gp r i n c i p l em o d e l f i n a l l y , t h eu s eo fm a f l a b s i m u l i n km o d u l e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fa h y b r i dc o r v e h i c l em o d e l ，t h ea n a l y s i sb a s e do ns p e c i f i co p e r a t i n gc o n d i t i o n so fa u t o m o t i v e d r i v e l i n ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dt om a t c ht h ed u a l - m a s sf l y w h e e lc o u p l i n gf o r p a r a m e t r i cd e s i g na n dm a t c h i n gs t u d y k e y w o r d s ：h y b r i dv e h i c l e s ，d u a l - m a s sf l y w h e e l ，m u l t i d y n a m i cc o u p l i n g ， t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y i l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 2 l 世纪，随着汽车的总量也在不断的增加，所带来的环境、能源及社会问 题日趋凸显，技术革新势在必行。各国汽车企业都在寻求新技术替代现有的燃 料汽车，在电动汽车和混合动力汽车方面进行大量的研究与开发工作。与传统 汽车相比较，混合动力汽车具有：高性能、低污染和低能耗的特点及经济、技 术和环境等方面的综合优势，代表汽车的行业的未来发展方向口1 。 混合动力汽车由发动机、电动机和发电机三大动力系统。发动机是通过燃 料在气缸内燃烧爆做功，实现由化学物质能量转化机械势能，化学物质的燃烧 过程是一个迅速、随机的过程，使活塞实现单自由度的受迫振动，通过曲柄连 杆机构带动曲轴周向旋转，因此曲轴的输出转速和转矩简谐周期性波动。电动 机，励磁电压控制电机的工作状态，通过电流控制电机的转速，电流产生励磁 磁场带动转子旋转，输出转速和转矩；因为电流相对稳定，输出转矩与电流值 近似成成线性。发电机的原理与电机相对，关键在于机械转矩和电磁转矩之间 的关系，由励磁系统控制输出电压，转速达到一定值之后，输出电流实现对蓄 电池的充电，将机械能转化成电能储存起来n 1 。 三大动力系统之间通过有效的传动系统有效连接，实现转速和转矩的同步。 例如，发动机的转速和转矩成周期性波动，而电机的输出波形成线性，如果两 者之间采用简单的齿轮或者联轴器进行刚性连接，不同规律的力矩和转矩波形 将会产生负效应，对整个传动系统的稳定性和传动效率将会有较大的影响。 合理的选择动力耦合的方式，将是混合动力传动系统设计考虑新的重点。 目前主要的耦合方式有扭矩耦合一动力耦合过程中转速成正比，转矩耦合叠加； 转速耦合一输出转矩成正比，最后转速耦合叠加；牵引力耦合一多动力直接作 用在车轮上，减少动力耦合的交集，实现动力耦合。以上三中耦合方式各有利 弊，针对混合动力的动力形式多样和灵活性，如何有效的整合多种耦合方式， 实现传递效能和稳定性的最大化h ，。 双质量飞轮广泛应用在各种高端车系和柴油机车型上扭振减震器，双质量 飞轮一端与发动曲轴相连，起到单质量飞轮的作用，称为主飞轮；另一端安装 武汉理工大学硕士学位论文 在变速器的一侧，作用在提高变速器的转动惯量，称为次级飞轮。两部分通过 周向圆弧形弹簧构成的扭振减震器，使曲轴的输出扭振衰减，然后再动力输出， 从而达到降低噪声、提高舒适度的目的【5 】。 如何将双质量飞轮有效的融合到混合动力传动系统中，并能实现良好的多 动力匹配，实现系统的效能最大化是本文研究的重点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 混合动力汽车研究现状 目前，混合动力汽车混合动力模型主要有三种：串联式，并联式和混联式。 混合动力汽车新技术研究重点主要集中在两个方面：多动力的匹配性和控制策 略最优化。 1 ) 串联式混合动力汽车 串联混合动力汽车的零件包括，逆变器、发电机、电池和电机。逆变器不 直接驱动汽车的车轴，而是把机械能通过发电机转化成电能，所有的驱动汽车 的转矩均来自电机，电机其主要作用。发动机发出的部分电能向电池充电，来 延长混合动力汽车的行驶距离，主要起到辅助作用。 图1 1 串联式混合动力汽车结构图 串联式混合动力汽车驱动系统的动力输出模式分为： ( 1 ) 纯电动模式，在汽车处于空载或负载较小的工况下，由电池组向电 动机供电，驱动汽车工作，此时发动机停止工作。 ( 2 ) 纯发动机模式，汽车行驶负载较大，且驱动功率小雨发电机的最大 功率，由发动机单独驱动汽车行驶。 ( 3 ) 混合驱动模式，车辆在启动、加速、爬坡等工况下，发动机带动发 电机发电储存在蓄电池中，同时蓄电池向电动机供电，电动机驱动 汽车行驶完成复杂工况下汽车运动。 2 武汉理工大学硕士学位论文 串联式驱动系统的结构比较简单，动力电池组、发动机发电机和驱动电机 在底盘上的布置有较大的自由度。因为串联式的发动机、发电机和驱动电机三 大动力总成体积较大、质量较重，所以在中小型车上受到限制，一般适合大型 客车采用。类似山东理工大学研究的应用于城市公交系统的改装客车 y t k 6 6 0 5 q h e v 汽车，集中在串联式混合动力城市客车参数化设计和控制策略 研究旧1 。 2 ) 并联式混合动力汽车 图1 2 并联式混合动力汽车结构图 并联式混合动力汽车与串联式混合动力汽车动力系统上的差异在于前者两 套系统都可以独立的驱动汽车，又可以协同的工作；两套系统效率最大化区间 不同。因此可以实现多种动力驱动汽车的工作模式。 ( 1 )纯电动模式，汽车起步或者低速行驶的工作状况，发动机停驶工作， 利用电机具有低转速高转矩的特点，单独驱动汽车行驶，避开发动 机低转速高耗能的工作区间，可以有效的控制排放对环境的影响。 ( 2 ) 纯发动机模式。当汽车行驶在高速公路，或者城市郊区平坦的公路 上，发动机处于高效率转化区，燃油经济性好；同时这些路段相对 开阔，对汽车的排放要求不会很高，可以有发动机单独驱动汽车行 驶， ( 3 ) 混合驱动工作模式。汽车处于爬坡或者加速行驶的工况，发动机和 电机都处于协同工作状态，发动机作为主要动力输出，电机作为辅 助动力输出，满足额外的爬坡或者加速所需的动力，使汽车的动力 性处于最佳工作区间。 ( 4 ) 制动能量回收模式。当汽车处于制动或者减速工况，利用发电机的 反向制动作用。多余的制动能转化成发电机的电能储存在蓄电池， 回收多的能量，提高燃油的经济性，降低排放。 武汉理工大学硕士学位论文 并联式混合动力汽车的控制策略相对串联式较为复杂，主要有：以车速为 主要参数的控制策略，以功率为控制参数的控制策略。 现有并联式混合动力汽车最为典型的车系为日本丰田的p r u i s ，其特色在于 使用行星齿轮机构，结构紧凑，能量转化效率高。并联式混合动力汽车由于其 结构上和能量转化效率上优点，作为主流，得到广泛的研究，且其技术相对成 熟，多数混合动力汽车都是采用并联式h 1 。 3 ) 混联式混合动力汽车的工作模式 图1 3 混联式混合动力汽车结构图 混联式混合动力汽车是在原有的并联式混合动力汽车的基础上做进一步的 改进，发动机输出动力流向上加上了额外的发电机模块；当发动机和电机协同 驱动汽车行驶的过程中，整个动力系统产生的额外动力输入发电机，收集系统 额外的动能转化成电能储存在蓄电池。混联式混合动力汽车集合串联式和并联 式的优点，可以更加有效灵活的控制能量的流动方向。 ( 1 )纯电动模式。汽车启动或者低速行驶的工况，车速低于设定的最小 值时，发动机停止工作，汽车有电机单独驱动，如同电动汽车， ( 2 )发动机+ 发电机模式。此模式多采用行星齿轮作为动力协调机构，实 现发动机能量分流，一部分输出到变速器，另一部分输出到发电机， 储存到蓄电池中， ( 3 ) 混合驱动模式。车辆处于爬坡或者加速工况，发动维持原有的工作 状态，电机工作，发动机与电机一同驱动汽车实现加速或者爬坡大 扭矩工况，动力性能较好，而燃油经济性相对纯电动模式较差， ( 4 )制动能回收模式。汽车处于减速或者制动的工况，利用电机的反拖 作用，既可以有效的辅助制动，又可以回收耗散的势能，储存在蓄 电池中，可以有效的提高燃料的利用率，降低排放；与并联式回收 模式相似，只是混联式的集成制动能和发动机驱动能收集。 混联式混合动力汽车由于技术瓶颈现在多停留在技术的研发阶段，技术的 4 武汉理工大学硕士学位论文 瓶颈在电机一发电机集成设计。目前国内黄海城市公交车属于混联式混合动力 汽车但是汽车采用的制动发电机，发动机能量收集发电机及驱动电机都是相对 独立，集中使用在公交系统。小型车型使用相对较少，目前需要高校，例如吉 林大学和哈尔滨工业大学在并联式混合动力汽车方面做了关于控制策略的研究旧 【l o o 1 2 2 多动力混合动力汽车耦合器研究现状 1 ) 多动力耦合器的作用及分类他”1 行星齿轮传动机构由于结构紧凑，承载能力强，传递效率高等优点，在汽 车变速、传递力矩及运动方便得到广泛的研究与应用。混合动力汽车由于涉及 到多种形式的动力耦合，行星齿轮作为主要的力矩耦合形式得到广泛的应用。 随着丰田汽车在1 9 9 7 年成功的推出第一代p r i m 混合汽车取得巨大的成功， 国内外研究机构和汽车制造商，对丰田p r i u s 的行星齿轮机构进行多层次的分析 和研究。 五州：。 图1 4 丰田p r u i s 减速器剖视图 行星齿轮式耦合方式，耦合效率高，控制也相对简单，并且可以实现多动 力同时驱动，动力切换过程冲击较小；但是由于是齿轮式的刚性耦合，发动机 的动力随机性参数波动，将会影响到整个系统的稳定性。 如何有效的降低发动机的间歇振动波形力对系统其他动力单元的影响，很 多高校和企业都有广泛的研究。 日本丰田p r u i s h e v 混合动力驱动机构，发动机与发电机的动力耦合方式是 行星齿轮式，之后两者合成的动力又与电机的动力进行齿轮耦合，最终合成力 驱动差速器。 武汉理工大学硕士学位论文 福特汽车的p r o d i g y - l s r 款1 ，引用一种磁场耦合式的设计，在现有发动机 和变速器之间加入一种类似离合器式的磁场耦合器，在某种程度上可以有效地 降低发动机的冲击载荷对系统的影响，后来国内的长安汽车公司参考其原理研 发出两款适合对内汽车和路况的动力耦合系统的试验车。 链或着皮带轮耦合技术刖，在国外和国内的一些期刊上也有提及，利用皮带 和链接方式本身具有一定的减振性，两种或者多种不同的动力通过链或者皮带 轮输出到同一动力输出轴，实现动力柔性耦合，成本和设计相对简单，但是由 于传递效率和控制上变数复杂，并没有得到大力推广，而只是在一些小的传递 单元有所应用。 湖南大学开发一款差速器式的混合动力耦合装置n 钉，差速器耦合方式与行星 式的耦合方式比较类似，但是在差速器动力输入模块采用了离合器制动器的连 接方式，使各模块间的动力干扰降低。但是差速器耦合方式要求发动机和电机 的动力参数相当，限制混合动力对动力参数匹配性设计。 克莱斯勒汽车公司开发一款c i t a d e l ( 试验车) 1 8 p 其中设计一种牵引力耦 合方式，相对其他方式比较特殊。发动机动力输出、电机的动力输出都以一种 单独的动力流向传递给车轮，使发动机和电机之间交集降到最低。牵引力耦合 方式结构简单，改装方便；同时可以再生收集制动能，但是整车的控制相当复 杂，可以作为一种合理的过渡期设计。 表1 1 各种耦合方式对比表 各种动力耦合方式的比较 混 耦合方式 厶 综合平 结构复耦合控制能量再 造价 口 顺性 杂性效率难度生难度 度 齿轮耦合中差 低高低中低 扭矩 耦合式 磁场耦合 中好中高中低中 链或带耦合低中 低低低中低 转速 行星齿轮式 中中低高中高低 耦合式 差速器式高中 低两中高 低 牵引力耦合式高好中高高中中 混合耦合式高好 高中较高低i 葡 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 多动力耦合的影响因素和评价标准n 混合动力汽车的多动力耦合器在设计的时候需要考虑到以下因素： ( 1 ) 发动机、电机及发电机合理的机械耦合，具有高效的能量回收率； ( 2 ) 充分考虑混合动力汽车的多工况下的燃油经济和排放标准； ( 3 ) 耦合器的动力分配，使发动机尽可能的处于理想工况； ( 4 ) 耦合器在进行动力切换和动力合成的过程中，整车传动系统平稳； ( 5 ) 在原有车型上修改需要参考原有车型的位置空间尺寸，新车匹配性设 计时，保证机械结构的紧凑型和整体性。 1 3 本文研究目的与意义 混合动力汽车作为未来汽车发展趋势，混合多动力的形式将会趋向多样化。 随着汽车控制技术和电池技术的日趋成熟，汽车机械传动效率又将转变成为研 究的重点；国内汽车在混合动力耦合技术研究涉及相对较少，国外成熟得到广 泛应用的技术不多，因此需求一种合理化的多动力耦合器的设计将具有广泛而 深刻的意义。 本文的主要研究目的：双质量飞轮是目前较为成熟应用在汽车轴系扭振减 振的技术，依托现有的理论和技术基础，并成熟的产品上进行结构设计上的改 进，使双质量飞轮技术应用在多动力耦合上，使传动更为平稳和高效，并建立 相对完善系统的模型，为产品化设计提供技术参考。 1 4 论文的研究内容 本文分为六章，章节内容如下： 第一章：绪论。介绍了混合动力汽车的分类，不同类型混合动力汽车的动力 类别、动力流程及动力的耦合形式。国内外多动力耦合器的研究现状与技术的 应用情况。双质量飞轮作为较为成熟的扭矩传递装置在混合动力多动力耦合技 术上有很大程度的研究价值。 第二章：混合动力汽车动力多样性。本章主要介绍混合动力汽车的两大动 力部件的动力输出形式和路况反馈的动力形式。发动机作为整车的主要动力源， 其动力的输出形式受气缸变化压力，结构部件的重力、转动惯量及发动机阻尼 的影响。同步电机分为同步电机和同步发电机，动力的输出形式，参照旋转转 速变化与电机的电压电流关系。不同道路工况下，整车所受的路谱波动不同， 7 武汉理工大学硕士学位论文 方向反馈的动力形式也有较大的差异，对系统的稳定性也有较大的影响。 第三章：混合动力汽车模型参数化设计。根据现有的主流车型，设定相关 的技术参数，求出相关的动力匹配参数；计算出不同工况下，匹配发动机、同 步电机的取值范围；利用a d v i s o r 软件自动匹配区间内发动机和同步电机的动力 参数，使燃油效率达到最优化。 第四章：混合动力汽车双质量飞轮匹配性优化设计。根据现有成型的双质 量飞轮模型，推导出双质量飞轮的设计理论；根据静态刚度试验和动态性能测 试修正双质量飞轮非标准化影响因素；建立双质量飞轮的数学模型，考虑到摩 擦和阻尼系数的影响，并扩展到整车模型中，考虑各因素与传动效率之间的关 系。 第五章：搭载双质量飞轮汽车的模型。参照第二章到第四章，建立发动机 的参数化模型，同步电机的参数化模型；设计新的双质量飞轮多动力耦合装置， 进行工况模拟分析；综合考虑其设计的各个因素对传动效率和燃油经济性的影 响。 第六章：全文总结和展望。总结全文中涉及到理论知识和研究成果；并发 现论文中的不足，展望需要进一步研究的内容。 1 5 本章小结 本章主要介绍和分析国内外混合动力汽车的研究现状。混合动力汽车的三 种主要工作模式，动力流程，技术原理；目前多动力耦合的几种方式，对比优 劣；双质量飞轮作为一种成熟的扭振减振装置，通过合理的技术改进，在混合 动力汽车动力耦合方面有极高的推广价值。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章混合动力汽车动力多样性 混合动力汽车种类分为：串联式、并联式和混联式；按照工作模式可分为： 纯发动机工作、纯电机工作、混合和制动能回收模式；但混合动力汽车的基本 动力模块都包括三大部分：发动机、电机、发电机。发动机的动力来源于燃料 的燃烧产生的热能转化的动能，存在较大的波动性；而现有的混合动力汽车所 匹配的电机，通过励磁电流及电压控制转速和转矩的输出，相对平稳；汽车行 驶过程中，路况和工况的不同，反馈给传动轴系的力矩和转速不断变化。 2 1 发动机的动力形式 发动机作为汽车的核心部件，混合动力汽车的主要动力单元，发动机的稳 定性、可靠性将影响到整个汽车传动系统的稳定高效工作，同时发动机的激振 力矩是致使传动系统前向扭转振动的主要因素。 发动机的激振力矩主要源于：气缸内混合燃气压力变化；其次，发动机曲 柄连杆机构的重力和惯性力产生的激振力矩；接受功率的部件吸收的扭矩不是 定值，如悬架减震橡胶块。 活塞式发动机气缸内的压力变化是曲轴产生扭转的主要因素，并且随着不 同机型和不同的运转工况而变化，计算要求比较准确，因此采用试验和理论相 结合。重力产生的干扰力为简谐正弦函数力，其它各种干扰力表现为复杂的周 期性函数，通过合理的数据处理分析，可以分别考虑个不同因素对系统的影响， 然后求权重比，叠加。运动部件的惯性力包括离心惯性力和重复惯性力，在一 定的转速下，由于离心惯性力不变始终通过回转中心，不会引起扭转振动，可 忽略其影响；相反，往复惯性力在曲轴上产生周期性变化的力矩，对轴系的扭 转振动产生一定的影响。 本文是基于江铃汽车集团发动机有限公司生产的一款四冲程的v m r 4 2 5 d o h c 柴油发动机作为研究对象，进行扭振分析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1v m r 4 2 5 d o h c 发动机部分技术参数表 项目技术参数 直列水冷四冲程 柴油机型 双顶置凸轮轴 气缸数一缸径( 咖) 冲程( m ) 4 - 9 2 9 4 活塞排量( l ) 2 4 9 9 压缩比 1 7 5 额定功率( k w ) 转速( r 皿i n ) 10 5 4 0 0 0 全负荷最低燃油消耗率( g k w h ) 2 1 0 最大扭矩( n ) 转速( r m i n ) 3 4 0 2 0 0 0 最高空转转速( r m i n ) 4 8 0 0 空载最低稳定转速( r m i n ) 8 0 0 气门工作顺序 1 - 3 - 4 - 2 参照公司提供的参数表2 - i ，拟合出v m r 4 2 5 d o h c 型柴油发动机的特性曲线， 如图2 1 。 ? ，一。j ； 。 ；。j jjj - j 。1 ；： j 一； 图2 1 发动机转速一转矩图 州 图2 - 2 发动机转速功率图 发动机的输出功率p = - t * n 9 5 5 0 ，参照此公式修正最终的功率曲线。图2 - 2 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 中为公司提供的转速功率曲线，虚线为理论计算得出的转速功率曲线，符合转 速转矩功率积数关系。 2 1 1 气体爆发压力产生的激振力矩 发动机气缸内燃料的燃烧方式分为两种：汽油机主要是火花塞高压电流引 燃混合燃料，柴油机主要是先压缩气缸内的气体到一定温度后喷入可燃气体。 但是，可燃气体的爆发点都在接近上止点附近，并伴随较大的爆发压力和压力 升高率。这些大幅的振动冲击波类力作用在活塞顶部面和气缸内上断面，导致 轴系的扭振和内燃机的整机的振动。 ( 1 ) 发动机转速一功率与气缸平均压力的曲线关系 保证所要求的功率和尽可能地提高功率输出( 在燃料经济性的最佳前提 下) ，是对发动机的提出的基本要求之一，而发动机的有效功率可以用下式表达： = 等= 0 7 8 5 4 詈风气( 志切肘( k w ) ( 2 1 ) 式中，阮平均有效压力( b a r ) ，z 一发动机气缸数，k 一单缸工作容积( l ) n 发动机转速( r p m ) ，f 一冲程数( 四冲程f = 4 ，二冲程f _ 2 ) ，一活塞平均 移动速度( m s ) ，c 肘= 4 r n 6 0 ，d 气缸直径( n u n ) ，1 1 。一发动机的机械效 率，一般工况取8 5 。 根据表2 1 发动机参数表，选取p , - 1 0 5 k w , 对应转速为4 0 0 0 r p m ，作为计 算参数。 推导可得出：平均有效压力风表达式为： 风= v 1 0 7 8 5 4 z rr 1 5 n ( 志) ( b 扪 ( 2 2 ) 已知发动机的设计参数和计算得到的平均压力，可以通过软件模拟气缸活 塞内的压力变化。以发动机的曲轴传感器检测角度为横坐标，利用曲线拟合出 发动机的曲轴转角一活塞压力曲线，如图2 3 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 e 椰 5 0 e 娟 l 一一h u o s 扪1 a八 i l叶i h u o s a i 0 2， l t j l 一裂裂 j ，| ， ：j、 f i ll t 。 - i i f i l j ， ， i i l- f 7 ! ：， 卜 。 i l i 。 ： j ， 、 | xt ； 、 奠一二义一， 、 、 。一 1 卯03 0 004 5 0 06 0 0 07 5 0 0 图2 3 曲轴转角一活塞气体压力图 可以看出燃烧过程气缸内气体压力是周期性的，每循环气缸内气体变化曲 线可以用一些列的不同相位和振幅的正弦波叠加而合成，气缸气体变化压力 可以表示为： 最= p o + 只s 畎心f + ) ( 2 3 ) 上式中，昂是一个循环内的平均指示压力；只是n 次谐波气缸压力分量。 图2 4 单个曲轴的受力分析图 图2 _ 4 中，a 表示曲轴的旋转角度，r 为曲轴回转中心距，l 为连杆两端固 定孔中心距，p t 为沿曲柄的气体压力分向量。 柴油机气缸内的气体压力变化所产生激振力矩，通过作用在曲轴销上的切 向分力表现出来。根据内燃机力学，切向分力的表示如下： 只：s i n ( a + ，) p 。 p 。, ( 2 - 4 ) c o s 1 2 fe，uo乏s芒：时*芒乱 武汉理工大学硕士学位论文 将式用不含p 形式表示，可以近似为： 弓= ( s i n a + 瓦rs i n 2 口) 名 ( 2 _ 5 ) 对切向力弓用傅立叶级数来表示： 弓= 昂+ a , , c o s h w t + b s i n w t = p o + c , , s i n ( n w t + t p , , ) ( 2 6 ) 疗l l n z l 式中，风为一个循环内的平均指示压强，n 为谐次数，为n 谐次简谐切 向力正弦分量，既为n 谐次简谐切向力余g t 复y y i ，q 为n 谐次简谐切向力幅值， q = = 丽，w 为弓的圆频率，t 为时间，为n 谐次简谐切向力初相角， t g 中。= n n lb n 。 傅立叶级数中的系数分别为： 昂= 去r 石二7 一 = 去 - j l , r 露 6 = 去r 露z 兀一 p r d ( w t ) 弓c o s ( n w t ) d ( w t ) ( 2 7 ) 弓s i n ( n w t ) d ( w t ) 四冲程内燃机转一圈完成1 2 个周期，所以形成四冲程的具有半谐次的特 点。这样，由于都是以曲轴转一圈得周期作为基础，因此无论对于二冲程还是 四冲程的内燃机辟展开式可以统一如下： 弓= 昂+ a nc o s n w t + b + s i n n w t = p o + c s i n ( n w t + q ，) n - i n = l ( 2 - 8 ) 其中：n - 简谐次数，对于四冲程1 = 1 2 1 ，l + 1 2 ，2 ，一般发动机研究到 1 2 谐次。q 为n 次简谐切向力幅值或简谐系数，q = q + 屯；一简谐切向 力的初相角，帆= q 气，相对进气点行程起始点。 因此，n 次简谐切向力传递给轴系的激振力矩为： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 鸩= 三d 2 r c s i n ( w t + ) 气缸内燃料燃烧产生的简谐切向力矩为： 心= 三。2 p p 0 + 三d 2 r 乏1 2g s 毗，删+ 吼) 】 ”气 2 2 2 运动部件的重力和惯性力产生的激振力矩 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 运动部件的重力包括回转运动及往复式运动两部件的重力，而运动部件的 惯性力，则包括离心惯性力和往复惯性力。 图2 5曲轴连杆机构三维图 利用s o l i d w o r k s 构建汽车发动机曲轴连杆机构的三维模型图，如上图2 5 ， 设定好相关部件的密度参数后，利用s o l i d w o r k s 里面质量单元测量分析可以得到 曲轴相关向量质量、转动惯量。 表2 2 发动机曲轴组件等效质量表 部件 表达式单位量( 单位) 曲轴部件 曲轴自由端0 0 0 0 3 9 3 ( k g ) 第一曲拐单位 0 0 0 7 1 4 5 ( k g ) 第二曲轴单位 0 0 0 7 7 3 2 ( k g ) 第三曲轴单位 0 0 0 8 2 2 2 ( k g ) 第四曲轴单位 0 0 11 5 3 2 ( k g ) 曲轴后端 0 0 0 0 6 4 9 ( k g ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 整个曲轴 g l 0 1 3 3 9 6 2 ( k g ) 连杆部件 连杆质量 g 2o 8 5 5 ( k g ) 曲柄半径 r0 0 4 7( m ) 连杆长度 l0 1 5 9( m ) 连杆重心 s 20 1 1 4 8 3 ( m ) g 2 w 0 2 3 7 5 1 8 ( k g ) 连杆往复部分 j 2 w 0 0 0 0 2 6 2 ( k g ) g 2 r 0 6 1 7 4 8 2 ( k g ) 连杆转动部分 j 2 r o 0 0 1 3 6 4 ( k g ) 连杆总转动惯量 j r o 0 0 1 6 2 6 ( k g ) 活塞组件 g 3 0 4 6 1 2 9 ( k g ) 活塞体 j 3 0 0 0 0 5 0 9 ( k g ) g 4 0 3 1 0 1 8 ( k g ) 活塞销 j 4 0 0 0 0 3 4 3 ( k g ) 1 ) 回转运动部件的重力产生的激振力矩吮 曲轴上的曲柄部分、平衡块及连杆上重心不在回转中心线上的回转部件。 若将这些回转部件不平衡重力转化到曲柄销孔中心处。则总的回转质量单元体 的重量为： 吒= 竿+ g 2 ， ( 2 1 1 ) 几 其中，g 1 为曲柄、平衡块等回转部件的合成重量；g ，为连杆部件的转动 部分的等效质量单元。s l 为曲轴的重心与回转重心的偏心距，r 为曲柄半径。 则可推导出由该重力作用产生的激振力矩为： m k = 瓯r s i n w t x l 0 。2 ( 2 - 1 2 ) 2 ) 往复运动部件的重力产生的激振力矩m 盯 往复运动部件包括活塞组、活塞销及连杆部分的往复运动部件的等效往复 重量为： g 。，= g 3 + g 4 + g 2 ( 2 - 1 3 ) 由于往复运动部件所产生的激振力矩，一般只是近似的处理到二阶简谐值， 因此可以取其运算表达式为： m 矽= 6 0 尺( s i n w ，+ 鲁s i n 2 w t ) 1 0 - 2 ( 2 - 1 4 ) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 其中，a 为曲轴半径r 与连杆长度l 的比值。 3 ) 往复运动部件的惯性力所产生的激振力矩m 在一定的转速下，运动部件的离心力大小恒定且作用方向始终指向回转中 心，因此不会对旋转系统产生影响。但是往复惯性力如同气缸内的气体，通过 连杆作用在曲柄上，产生周期变化的力矩，从而引起轴系的扭振。 往复运动部件产生往复惯性力：一垃： ( 2 1 5 ) g 根据运动学方程，推导出往复部件惯性力产生激振力矩 鸩= 毋坐鱼r x l 0 _ x g f 尺2 w 2 ( a s i n w t - 互s i n 2 w - 丝s i n 3 w ，一生s i n 4 w t c o s g 42 44 ) 1 0 r 4 ll 8 。 ( 2 1 6 ) 因此，运动部件的往复惯性力所产生的激振力矩，可近似看作四阶简谐力 矩，高阶的简谐力矩影响较小，便于模型的建立，可以忽略不计。 四阶简谐切向力矩幅值，可以表示为m 加，n = 1 2 3 4 鸠。= 丸4 g g 4 r 2 w 2 s i n 谢1 0 。4 ，鸩：一等咖2 s i n 2 w ，1 0 r 4 m , 3 = 3 3 矿, g 挑2s i i l 3 w ，1 0 。4 鸩。一等h 2 s i n 4 w 州旷 所以综合以上多种力矩得到运动部件的重力和惯性力产生的激振力矩m r m r = m h + m ，矿+ m ， ( 2 1 7 ) 发动机在正常工作时，产生的扭振简谐力矩，主要来自气缸内燃料燃烧产 生的激振扭矩和发动机曲轴连杆机构产生的重力、惯性力产生的扭振力矩。所 以发动机的输出力矩丝可以表示为： m f m x + m y ( 2 - 1 8 ) 研究发动机扭振，只有低速高重载荷柴油机才考虑发动机结构部件因重力 产生的激振力矩，而本文主要研究普通的乘用车用发动机，只用考虑惯性力产 生的激振力矩。因此，本文研究发动机产生的激振力矩的简谐力模型，采用分 阶的表达式：e = 口2 + 钆2 ( n = o 5 ，l ，1 5 1 2 ) 。 利用简谐系数通用曲线：根据英国的劳氏船级社推荐的简谐系数通用曲线 1 6 武汉理： 大学硕士学位论文 查取各阶简谐系数【2 5 1 ，参照因素为发动机工况下的转速、功率，平均气缸压力， 0 5 1 2 谐次的简谐系数分别为：e = 4 5 0 ，5 1 0 ，4 8 5 ，4 1 0 ，3 4 5 ，2 8 0 ，2 3 0 ，1 8 5 ，1 4 5 ， 115 ，9 0 ，7 0 ，5 2 ，4 2 ，3 4 ，2 7 ，2 3 ，19 ，l5 ，13 ，12 ，11 , 9 】 综上分析理论可以得到发动机的激振力矩为 丝= 三d 2 尺 足 0 7 8 5 4 i z 而d ) ) + 三d 2 尺薹gs i n ( n w t + ) + 军心( 2 - 1 9 ) 根据函数表达式2 1 9 ，利用m a t l a b 模拟曲轴在7 2 0 。区间内的激振扭矩变化情 况，可得发动机激振扭振间歇力矩图，如下图2 - 6 。 曲轴转角( d e g ) 图2 - 6 发动机的激振扭振间歇力矩 4 ) 对比试验测试结果 发动机怠速情况即离合器处于分开状态，利用测功机软件平台，检测布置 在位置的传感器1 检测启动齿轮，共1 3 2 齿，产生的脉冲信号。 图2 7 发动机曲轴测速齿盘检测示意图 8 0 0 r p m 对应旋转一周的时间t - - - 0 0 7 5 s ，通过传感器读取单位时间0 0 7 5 ，在 进行参数处理的时候忽略缺齿对整个旋转波动影响。拟合得到的单位时间波动 图2 8 。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 富瞄0 薹 置 芏 亨 ；踟 8 咖r k 卜m na 弩i w 帆。州 弋： l0 ；卜 ； 、 v 0 00 0 1 8 7 0 巧 山归k 舳mt m t e ( s e c ) 图2 8 发动机空载旋转一周的角速度波动图 发动机怠速工况下，曲轴的转动角速度w 对应发动机的激振力矩丝= ，w ， 因为发动机的曲轴系统的转动惯量为恒定值，角速度的波动趋势与激振力矩的 波动成正向比例关系，公式2 1 9 对发