CN104102793B - 发动机曲轴系统扭振分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发动机曲轴系统扭振分析方法，其包括如下步骤：(1)收集发动机的关键参数和构建曲轴系统的三维模型；(2)建立发动机曲轴系统扭振参数化等效模型；(3)对不同转速和不同燃烧压力作用下的发动机曲轴系统进行扭振计算；(4)结果分析。本发明的分析方法在发动机设计过程中通过对曲轴系统扭振进行分析计算，可快速确认发动机在各种运转工况下曲轴系统的扭振情况，再通过参数优化，可实现曲轴系统的优化设计。本发明曲轴系统扭振分析方法分析精准，可提升发动机的试验效率且能为后期节约大量试验成本，为曲轴系统设计指明了方向，尤其是为匹配双质量飞轮系统的设计提供了有效指导。
Description
技术领域
本发明属于发动机曲轴系统的计算机辅助分析领域，特别是一种发动机曲轴系统扭振分析方法。
背景技术
发动机曲轴系统是发动机对外输出动力的主要系统，由于发动机的燃烧压力是随周期不断变化的，同时曲轴系统各个部件都是柔性体，因此当发动机曲轴高速旋转时，曲轴系统上各个部位会产生大小和方向不同的转速波动，从而导致轴系各个部位之间相互扭转振动。曲轴系统的扭振对发动机的各方面性能都有重要影响，包括正时系统的稳定性和整机的性能。如果曲轴系统的输出扭矩和转速不稳则会引起整个传动系统产生巨大的噪声。如果扭振幅度过大，则有可能发生断轴、曲轴前后端传动部件损坏失效等重大问题。
双质量飞轮是将减振弹簧布置在飞轮内部，使飞轮分为三部分，即第一级飞轮、第二级飞轮和连接两级飞轮的弹簧。其中第一级飞轮与发动机曲轴输出法兰相连，第二级飞轮与离合器相连，第一、二级飞轮之间可以相对转动。由于双质量飞轮的弹簧的压缩长度很长，刚度较低，能够在很宽的范围内调整扭振系统的频率，使发动机的振动得到很好的消减，达到较为理想的减振效果。但是曲轴系统匹配了双质量飞轮后，曲轴系统的一阶扭振频率减小到怠速转速以下，又会带来许多传动系统的问题，为此需要系统地匹配双质量飞轮的相关参数。
要解决好以上问题，在设计开发过程中对发动机曲轴系统进行扭振分析计算是一项必不可少的工作。
目前对曲轴系统扭振方面的分析计算主要是对扭振系统的固有频率进行计算，然后调整曲轴系统结构使其固有频率避开激励频率，而对实际产生的扭振大小则只能依靠试验测量。对于试验中发生的扭振过大则没有明确的方法来解决，需要经过多轮次反复才能匹配好各部件的惯量、刚度和阻尼参数，开发效率低且难以达到最优方案。
对于匹配双质量飞轮后的发动机曲轴系统更依赖于大量的试验，设计反复次数多，开发周期很长。现有一些分析方法则将飞轮前端的曲轴系统当作一个刚性体，只分析二级飞轮的输出效果，没有考虑双质量飞轮对曲轴系统的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、高效的，同时能够对匹配单质量飞轮和双质量飞轮的发动机曲轴系统进行分析的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种发动机曲轴系统扭振分析方法，包括如下步骤：
（1）收集发动机的关键参数，包括：发动机的气缸数目、排列方式、冲程大小、冲程数目、连杆长度、活塞组件质量、各个转速下一个循环内的燃烧压力；构建曲轴系统的三维模型，包括曲轴、减振器和飞轮的三维模型；
（2）在Excite Designer中建立发动机曲轴系统扭振参数化等效模型；
（3）在Excite Designer中对不同转速和不同燃烧压力作用下的发动机曲轴系统进行扭振计算；
（4）结果分析：对发动机曲轴系统中各部件的扭振角、减振器的耗散功、飞轮的转速波动、曲轴前后端的动态扭矩、双质量飞轮中两级飞轮的角加速度变化量、曲轴系统的扭振频率加以分析；若分析结果满足设定目标时，则停止；若分析结果未满足设定目标，则对步骤（2）中的参数进行调整，并重复步骤（2）至（4），直到分析结果满足设定目标。
优选地，所述步骤（2）中所述发动机曲轴系统中的曲轴可通过Excite Designer的Autoshaft和shaftmodeler模块建立扭振参数化等效模型，也可通过有限元方法计算得到。
优选地，所述步骤（2）中所述发动机曲轴系统中的飞轮为单质量飞轮，建立扭振参数化等效模型时需设定所述飞轮的转动惯量和内部阻尼。
优选地，所述步骤（2）中所述发动机曲轴系统中的飞轮为双质量飞轮，通过ExciteDesigner的TV Damper模块来建立飞轮的扭振参数化等效模型，建立扭振参数化等效模型时需设定两级飞轮的转动惯量、质量、两级飞轮间的刚度和阻尼。
优选地，所述两级飞轮的转动惯量、质量、两级飞轮间的刚度和阻尼可设定为固定参数也可设定为可变参数。
优选地，所述步骤（2）中所述发动机曲轴系统中减振器建立扭振参数化等效模型时，需设定转动惯量、质量、扭转刚度和阻尼，并通过公式计算出减振器的固有频率，其中，f为减振器固有频率，K为减振器扭转刚度，I为减振器减振环转动惯量。
优选地，所述转动惯量、质量、刚度和阻尼可设定为固定参数也可设定为可变参数。
优选地，所述步骤（2）在建立模型的过程中包括定义载荷的过程，其中，载荷是加载在活塞顶部的燃烧压力；或者将活塞质量加到连杆小头上，同时把载荷加载到连杆小头上。
优选地，所述步骤（3）中可以用DOE分析可变参数，通过分析结果来确定可变参数的敏感性，进而确定可变参数的取值范围。
优选地，所述步骤（4）中若分析结果未满足设定目标，可以调整减振器和飞轮的转动惯量、刚度和阻尼参数，然后重新计算，直至结果满足设定目标。
本发明的分析方法在发动机设计过程中通过对曲轴系统扭振进行分析计算，可快速确认发动机在各种运转工况下曲轴系统的扭振情况，再通过参数优化，可实现曲轴系统的优化设计。本发明曲轴系统扭振分析方法分析精准，可提升发动机的试验效率且能为后期节约大量试验成本，为曲轴系统设计指明了方向，尤其是为匹配双质量飞轮系统的设计提供了有效指导。
附图说明
图1为本发明实施例提供的发动机曲轴系统扭振分析方法的流程图；
图2通过本发明分析方法获得的发动机曲轴前端扭振角的分析图；
图3通过本发明分析方法获得的带有双质量飞轮的发动机曲轴系统的扭振频率分析图；
图4通过本发明分析方法获得的双质量飞轮两级刚度的转速波动分析图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，一种发动机曲轴系统扭振分析方法，包括如下步骤：
（1）收集发动机的关键参数，包括：发动机的气缸数目、排列方式、冲程大小、冲程数目、连杆长度、活塞组件质量、各个转速下一个循环内的燃烧压力；构建曲轴系统的三维模型，包括曲轴、减振器和飞轮的三维模型；
（2）在Excite Designer中建立发动机曲轴系统扭振参数化等效模型；
由于发动机曲轴系统包括曲轴、减振器和飞轮三个部件，因此，该步骤分别搭建曲轴、减振器和飞轮的扭振参数化等效模型。
优选地，曲轴可通过Excite Designer的Autoshaft和shaftmodeler模块建立扭振参数化等效模型。也可通过有限元方法计算得到。
当曲轴系统中的飞轮为单质量飞轮时，优选地，只需建立扭振参数化等效模型时只需设定所述飞轮的转动惯量和内部阻尼。
当曲轴系统中的飞轮为双质量飞轮时，优选地，通过Excite Designer的TVDamper模块来建立飞轮的扭振参数化等效模型，建立扭振参数化等效模型时需设定两级飞轮的转动惯量、质量、两级飞轮间的刚度和阻尼。为了满足不同的计算需求，两级飞轮的转动惯量、质量、两级飞轮间的刚度和阻尼可设定为固定参数也可设定为可变参数。
优选地，减振器建立扭振参数化等效模型时，需设定转动惯量、质量、扭转刚度和阻尼，并通过公式计算出减振器的固有频率，其中，f为减振器固有频率，K为减振器扭转刚度，I为减振器减振环转动惯量。同样地为了满足不同的计算需求，转动惯量、质量、刚度和阻尼可设定为固定参数也可设定为可变参数。
由于发动机都是在带有负载运行的，因此，优选地，在建立模型的过程中包括定义载荷的过程，其中，载荷是加载在活塞顶部的燃烧压力。另外还可以选择将活塞质量加到连杆小头上，同时把载荷加载到连杆小头上。
（3）在Excite Designer中对不同转速和不同燃烧压力作用下的发动机曲轴系统进行扭振计算；当步骤（2）中的两级飞轮的转动惯量、质量、两级飞轮间的刚度和阻尼设定为为可变参数，减振器的转动惯量、质量、刚度和阻尼也设定为可变参数时，此时由于可变参数较多，为此，优选地，中可以用DOE分析可变参数，通过分析结果来确定可变参数的敏感性，进而确定可变参数的取值范围。所谓通过分析结果来确定可变参数的敏感性，就是通过DOE分析来判断各个可变参数对扭振计算的影响，将影响因子高的可变参数作为所选参数，进而确定一个范围更加适中的取值范围，既不会因为可变参数过多造成计算量加大，也不会因为取值范围不适宜造成计算结果偏差过大。
（4）结果分析：对发动机曲轴系统中各部件的扭振角、减振器的耗散功、飞轮的转速波动、曲轴前后端的动态扭矩、双质量飞轮中两级飞轮的角加速度变化量、曲轴系统的扭振频率加以分析；若分析结果满足设定目标时，则停止；若分析结果未满足设定目标，则对步骤（2）中的参数进行调整，并重复步骤（2）至（4），直到分析结果满足设定目标。当分析结果未满足设定目标时，优选地，可以调整减振器和飞轮的转动惯量、刚度和阻尼参数，然后重新计算，直至结果满足设定目标。
图2为通过本分析方法获得的发动机曲轴前端扭振角的分析图，参考分析图通过调整减振器的扭转刚度和减振环的转动惯量，使得曲轴前端扭振角满足设计目标。
图3为带有双质量飞轮的发动机曲轴系统的扭振频率分析图，图4为双质量飞轮两级刚度的转速波动分析图，参考分析图，通过调整双质量飞轮的两级惯量和两级飞轮间的刚度（连接弹簧刚度），保证系统的一阶扭振频率低于发动机怠速点火频率。同时飞轮的两级惯量中的次级惯量转速波动小于1%。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述实施例中，本领域的技术人员可以根据本发明的指导思想轻易提出其它实施方式，这些实施方式都包括在本发明的范围之内。
Claims (7)
1.一种发动机曲轴系统扭振分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）收集发动机的关键参数，包括：发动机的气缸数目、排列方式、冲程大小、冲程数目、连杆长度、活塞组件质量、各个转速下一个循环内的燃烧压力；构建曲轴系统的三维模型，包括曲轴、减振器和飞轮的三维模型；
（2）在Excite Designer中建立发动机曲轴系统扭振参数化等效模型；
（3）在Excite Designer中对不同转速和不同燃烧压力作用下的发动机曲轴系统进行扭振计算；
（4）结果分析：对发动机曲轴系统中各部件的扭振角、减振器的耗散功、飞轮的转速波动、曲轴前后端的动态扭矩、双质量飞轮中两级飞轮的角加速度变化量、曲轴系统的扭振频率加以分析；若分析结果满足设定目标时，则停止；若分析结果未满足设定目标，则对步骤（2）中的参数进行调整，并重复步骤（2）至（4），直到分析结果满足设定目标；
所述步骤（2）中所述发动机曲轴系统中的飞轮为双质量飞轮，通过Excite Designer的TV Damper模块来建立飞轮的扭振参数化等效模型，建立扭振参数化等效模型时需设定两级飞轮的转动惯量、质量、两级飞轮间的刚度和阻尼；
所述步骤（2）中所述发动机曲轴系统中的曲轴可通过Excite Designer的Autoshaft和shaftmodeler模块建立扭振参数化等效模型，也可通过有限元方法计算得到；
在建立飞轮的扭振参数化等效模型过程中包括定义载荷的过程，其中，载荷是加载在活塞顶部的燃烧压力，或者是将活塞质量加到连杆小头上，同时把载荷加载到连杆小头上。
2.根据权利要求1所述的发动机曲轴系统扭振分析方法，其特征在于：所述步骤（2）中所述发动机曲轴系统中的飞轮为单质量飞轮，建立扭振参数化等效模型时需设定所述飞轮的转动惯量和内部阻尼。
3.根据权利要求1所述的发动机曲轴系统扭振分析方法，其特征在于：所述两级飞轮的转动惯量、质量、两级飞轮间的刚度和阻尼可设定为固定参数也可设定为可变参数。
4.根据权利要求1所述的发动机曲轴系统扭振分析方法，其特征在于：所述步骤（2）中
所述发动机曲轴系统中减振器建立扭振参数化等效模型时，需设定转动惯量、质量、扭转刚
度和阻尼，并通过公式计算出减振器的固有频率，其中，f为减振器固有频率，K为减
振器扭转刚度，I为减振器减振环转动惯量。
5.根据权利要求4所述的发动机曲轴系统扭振分析方法，其特征在于：所述转动惯量、质量、刚度和阻尼可设定为固定参数也可设定为可变参数。
6.根据权利要求1所述的发动机曲轴系统扭振分析方法，其特征在于：所述步骤（3）中可以用DOE分析可变参数，通过分析结果来确定可变参数的敏感性，进而确定可变参数的取值范围。
7.根据权利要求1所述的发动机曲轴系统扭振分析方法，其特征在于：所述步骤（4）中若分析结果未满足设定目标，可以调整减振器和飞轮的转动惯量、刚度和阻尼参数，然后重新计算，直至结果满足设定目标。
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