CN105121896A - 用于平衡车辆中的内燃发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及车辆的往复式内燃发动机(10)的惯性平衡方法。根据本发明，所述方法包括在所述往复式内燃发动机(10)的结构外通过最小化可在车辆内测定的振动和/或噪声水平确定与所述往复式内燃发动机的曲轴(21)相连的不平衡物的尺寸参数(pi)的步骤。

Description

用于平衡车辆中的内燃发动机的方法
技术领域
本发明涉及车辆的往复式内燃发动机的优化惯性平衡方法。
本发明发现一种具有串联的奇数个、通常三个或五个气缸的发动机的特别有利的应用，其解决了平衡的特殊难题，更一般而言是具有包括具有很少几何对称面的移动连接件。
背景技术
在往复式内燃发动机中，已知平衡由移动连接件(attelage)的移动，特别是曲轴的旋转、活塞在气缸中的平移和连杆的旋转与平移所产生的惯性力，以避免发动机的振动使这些内部移动发生。
参照例如斯沃博达(Swoboda)参考论著(往复式发动机力学，德西尼布版本，1984年)，其详细记载了用于实现该平衡的不同技术。典型实施方式是区分具有旋转运动的块体(旋转块)和具有平移运动的块体(往复块)，目的在于对两种类型的运动块体的每一种类型叠加必要的平衡。
旋转块的平衡通常是通过加入配重来进行，配重与曲轴的轴颈相对，并通常集成在曲轴的结构中。
往复块的平衡可根据多种不同技术进行。一种技术涉及加入一个或多个附加轴，所述平衡轴被曲轴驱动旋转，并且允许抵消由往复块产生的惯性力。Swoboda的文献描述了基于使用加入原始移动连接件的反向旋转的平衡轴的多种方法。对于串联式三缸发动机，这种方法允许使发动机的一次旋转全部地平衡往复块对动力传动系统(groupemoto-propulseur)产生的原始惯性力的贡献。
然而，平衡轴的使用尤其具有以下缺点：产生额外的生产成本、增加发动机的重量及其结构的复杂性，并可能产生与难以控制其驱动有关的噪声。
在无需平衡轴的其它技术中，通过加入与曲轴相连的平衡块来实现惯性力的部分平衡。在这种情况下，串联式三缸动力传动系统例如将根据1次发动机产生或多或少更大的纵摆和/或首摇力矩。使用已久的技术尤其涉及使用与曲轴轴线共面的块体，曲轴轴线的平面与发动机筒体的轴之间具有30°的角度。
文件FR1046797和DE972427描述了需要附加块体的往复式发动机的移动连接体的惯性平衡方法，附加块体中的两个被放置在曲轴的端部。该平衡使用制成环形或圆弧形的镂空部和/或配重实现。安置在曲轴(发动机飞轮、定时滑轮)端部以参与移动连接件的惯性力的平衡的配重或镂空部的使用还描述于文件DE102009047545、文件DE10245376以及文件FR2779493中。
文件DE102011000585还描述了弹性机构的使用，该弹性机构允许块体的位置根据发动机的转速而变化，以获得适应性平衡。
在例如文件DE102011078356中描述的其它方法中，加入的配重的角位置不对应于30°(模180°)的常用角位置理论值，而对应于不同值(例如25°或20°)，这尤其允许降低动力传动系统的角加速度。
现有方法的缺点尤其在于在确定用于平衡惯性力的配重和/或镂空部的尺寸值的确定中，其不总是在车辆乘车人感受到的振动的角度上的最适宜状态。事实上，在与车辆总体设计和其中的发动机装配例如连接点的位置、发动机悬挂舱的腔室相关的多种元素与发动机的移动连接件的曲轴的平衡相互作用，给出不能令乘车人满意的结果。
另外，某些确定尺寸的方法是基于意味着很大程度简化的力学系统的机械建模的使用。例如，动力传动系统被认为不可变形、其惯性中心可降低，并由3D惯量矩阵可表示，并且舱的刚度被假设为线性的。然而，这样的简化会导致由往复式发动机产生的不良噪声和振动的代表性不佳。
发明内容
本发明是涉及通过提供一种车辆往复式内燃发动机的惯性平衡方法解决这些缺点中的至少一个，所述车辆往复式内燃发动机的惯性平衡方法的特征在于，其包括在所述往复式内燃发动机的结构外通过最小化可在车辆内测定的振动和/或噪声水平确定与所述往复式内燃发动机的曲轴相连的不平衡物(balourds)的尺寸参数的步骤。
本发明因此并非允许最小化目标是仅有的发动机的振动和/或噪声的量，而是允许最小化由发动机产生的在车辆整体中可被乘车人负面地感知的振动和/或噪声的量。这些振动和/或噪声的量总体上相关，但在发动机曲轴的平衡的实施的角度上既不相同也不相等。换言之，由本发明提供的最佳调整是针对于“车辆”系统，而不仅仅针对于“单独的发动机”的系统。
根据一种实施方式，振动和/或噪声的水平是在车辆座舱内可测定的。
根据一种实施方式，振动和/或噪声的水平在时间域内测定。该可变“时间”具有的优点是靠近对于乘车人可感受的量值的区域。
根据一个实施方式，所述不平衡物由设置在所述往复式内燃发动机的所述曲轴的端部的至少两个配重和/或镂空部组成。
根据一种实施方式，所述不平衡物的尺寸参数尤其通过质量、所述不平衡物相对于所述曲轴的旋转轴线的距离和所述不平衡物相对于所述曲轴的轴颈的设置的角位置所限定，所述曲轴定位于与所述曲轴的旋转轴线垂直的平面中。
根据一种实施方式，振动和/或噪声的水平可借助固定在车辆座椅的轨道上的加速仪和/或借助与乘车人耳朵临近的位于车辆内的麦克风来测定。因此，本发明通过在车辆物理件上直接测定振动和/或噪声而摆脱代表性易于受到过多限制的物理建模。
根据一种实施方式，所述方法包括这样的步骤：限定依赖于在车辆内可测定的振动和/或噪声的水平mi的成本函数(fonctionde)Fc，和依赖于尺寸参数pi的函数F，两个函数通过关系式Fc(m1,m2,mi,mn)＝F(p1,p2,pi,pn)联系起来，并且，在实施迭代算法的范围内，在第一时间内选择尺寸参数的初始值，然后通过逐次迭代计算最小化函数F的尺寸参数pi的优化值Pi。
根据一种实施方式，成本函数由有效值总数，或在固定持续时间期间的可测定的最大值的总数，或根据所述往复式发动机的转速(régime)升高期间可测定的所述往复式内燃发动机的1次旋转得到这些量值的平均值组成。
根据一种实施方式，尺寸参数的初始值是来自仅往复式内燃发动机的简化的模型的值。
根据一种实施方式，尺寸参数的优化值必须另外符合施加给尺寸参数值的限制。
根据一种实施方式，所施加的限制尤其由所使用的所述不平衡物的总体的总最大重量和/或所述不平衡物相对于所述曲轴的旋转轴线的最大距离组成。
本发明还涉及一种车辆的往复式内燃发动机，其移动连接体的惯性平衡是根据本发明的平衡方法实现。
附图说明
通过阅读以下描述并参考附图，将更好地理解本发明：这些附图仅以示例性方式给出，绝不用于限制本发明。
图1示出了实施了根据本发明的往复式内燃发动机的平衡方法的车辆的示意图；
图2是位于往复式发动机处的不平衡物的示意图，不平衡物的尺寸参数借助于根据本发明的惯性平衡方法来限定；
图3示出了根据本发明的往复式内燃发动机的优化的惯性平衡方法的不同步骤的图。
附图之间相同、相似或类似的元件保留相同标记。
具体实施方式
图1示出了对应于实施了根据本发明的平衡方法的机械系统的车辆1；该车辆1尤其包括以下主要的子组件：安装在通过组装往复式发动机和速度箱形成的发动机悬挂舱3上的动力传动系统、车辆悬挂元件4、两个运行桥5、特别配备有打开部分的座舱6和设备。
所述方法包括选择车辆1内的观察量值以及定义相应的成本函数Fc的第一步骤101。记为“mi”的所选量值是在车辆座舱6之上或之内可测定的量值，例如在车辆车身上的座椅固定点处可测定的加速度，和/或在发动机悬挂舱下方(车辆车身侧部)可测定的力，和/或舱的挤压测定，和/或在座舱6的不同点可测定的声压。在一个实施例中，振动和/或噪声的水平可借助固定在车辆座椅的轨道上的加速仪8和/或借助与乘车人耳朵临近的位于车辆内的麦克风9来测定。振动和/或噪声的水平mi可在车辆内的发动机结构的外面的其它地方测定，发动机结构由作为如配备罩和移动连接件的发动机形成，移动连接件包括曲轴、活塞和相应的连杆。
作为补充地，还可以考虑在动力传动系统上定位的量值，如在发动机罩上可测定的加速度，或者在其惯性中心的这种加速度。所涉及的频率是“低频率”，优选低于约200Hz，以便动力传动系统不具有刚性体的所述移动。
明确地依赖于这些量值的待最小化的成本函数Fc记为Fc(m1,m2,mi)。通常可涉及有效值总数，或在固定持续时间期间的可测定的最大值的总数，或根据发动机的转速(régime)升高期间可测定的发动机的1次旋转的这些量值的平均值。
注意到，所研究的优化的惯性平衡必然依赖于所测定的声振量值mi的选择及其组合，其由设计者根据发展项目的背景来确定，并定义待最小化的总量值。
在一个简单的实施方式中，例如选择单独的量值mi，其对应于在司机座椅的笃定螺丝上在车辆纵方向上测定的时间加速度，以及选择与Fc(m1)＝sqrt(||m1||2)等价相关的成本函数Fc。
所述方法另外包括选择调整参数的步骤102，该步骤涉及用于实现往复式内燃发动机的惯性平衡。这些调整参数是记为pi的尺寸参数，尺寸参数尤其通过质量、不平衡物相对于曲轴的旋转轴线的距离和所述不平衡物相对于与曲轴的旋转轴线垂直的平面中定位的曲轴的轴颈的设置的角位置所限定。这些角位置通常表示为相对于曲轴21的参考位置的角度，其例如在气缸11上方死点获得。不平衡物可由在往复式发动机处放置的配重或镂空部构成。参数pi的数量取决于设计者允许的自由度。
如此，图2示出对于属于动力传动系统的三气缸11-13的往复式活塞10的热发动机所实现的平衡的选择的实例。在该实施例中，选择使用通过气缸的配重14-16，并在旋转轴线X的曲轴21的每个端部处加入配重19，20。有五个尺寸参数待确定的配重。作为替代地，还可以预先固定在每个气缸11-13的对面处的三个配重14-16的尺寸参数pi，并仅通过两个配重19和20限制作用于曲轴的端部。
观察到的量值mi的值依赖于尺寸参数pi的值，以便可建立以下关系：Fc(m1,m2,mi,mn)＝F(p1,p2,pi,pn)。
优选但不构成实际所必须的，选择函数Fc，使得函数F具有足以解决所述“良好提出的”优化问题的数学性质。
所述方法然后包括通过选择发动机的惯性平衡的原始近似参数选择，对优化循环赋初始值的步骤103。因此，通常涉及来自单独发动机的简化模型的尺寸参数pi的初始值，如由斯沃博达论著所提供的那些。因此，如果在气缸对面放置的配重的质量属于参数pi的一部分，可以将用于至少平衡热发动机的所述旋转块体所必要的质量作为初始值。
所述方法然后包括迭代步骤104，用于找到往复式内燃发动机的平衡优化参数。为此，选择本领域技术人员抑制的那些中的优化算法，其允许通过n的优化值Pi的逐次迭代有效计算最小化函数F的参数pi，这可以由关系式{P1,Pi,Pn}＝argmin(F(p1,p2,pi,pn))表示。
可能的是，参数的优化值Pi还必须符合施加给尺寸参数pi所取的值的限制。这些限制由表达式Fcont(p1,p2,pi,...,pn)＝0表示，其中函数Fcont例如可表示用于平衡所加入的配重的质量总数不应超过某个值，例如400克。所述限制还可包括不平衡物19，20相对曲轴21的旋转轴线X的最大距离。
在步骤104的每次迭代，尺寸参数的确定可能需要实施一次或多次试验，这些试验可以在必要时与数值模拟组合。迭代数或终止迭代循环的标准尤其依赖于每次迭代的计算的有效精度和/或时间成本。
在步骤104结束时，设置优化的参数集{P1,,Pi,.,Pn}，由于设计者对参数pi给予采取的可能性，该参数集给出对于往复式发动机的惯性平衡的关于被车辆乘车人所感觉到的声音和振动上的给予方面可能的最佳调整。
注意到，例如如果旋转通过在曲轴端部上加入的两个配重的集合来平衡时，最佳调整的结果给出，像最常见的情况，不是必须的30°和30°+180°的角位置，而是具有对给定发动机既定的非可确定的值的角位置，因为它们针对于车辆总体的构造。

Claims (12)

1.一种车辆往复式内燃发动机(10)的惯性平衡方法，其特征在于，其包括在所述往复式内燃发动机(10)的结构外通过最小化可在车辆(1)内测定的振动和/或噪声水平(mi)确定与所述往复式内燃发动机的曲轴(21)相连的不平衡物(balourds)的尺寸参数(pi)的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动和/或噪声的水平(mi)是在车辆座舱内可测定的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述振动和/或噪声的水平(mi)在时间域内测定。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述不平衡物由设置在所述往复式内燃发动机(10)的所述曲轴(21)的端部的至少两个配重和/或镂空部(19，20)组成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述不平衡物(19，20)的尺寸参数尤其通过质量、所述不平衡物(19，20)相对于所述曲轴(21)的旋转轴线(X)的距离和所述不平衡物(19，20)相对于所述曲轴(21)的轴颈的设置的角位置所限定，所述曲轴定位在与所述曲轴(21)的旋转轴线(X)垂直的平面中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，振动和/或噪声的水平可借助固定在车辆座椅的轨道上的加速仪(8)和/或借助与乘车人耳朵临近的位于车辆内的麦克风(9)来测定。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，其包括这样的步骤：限定依赖于在车辆内可测定的振动和/或噪声的水平mi的成本函数Fc，和依赖于尺寸参数pi的函数F，两个函数通过关系式Fc(m1,m2,mi,mn)＝F(p1,p2,pi,pn)联系起来，并且，在实施迭代算法的范围内，在第一时间内选择尺寸参数的初始值，然后通过逐次迭代计算最小化函数F的尺寸参数(pi)的优化值(Pi)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述成本函数(Fc)由有效值总数，或在固定持续时间期间的可测定的最大值的总数，或根据所述往复式发动机的转速(régime)升高期间可测定的所述往复式内燃发动机的1次旋转得到这些量值的平均值组成。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述尺寸参数(pi)的初始值是来自仅往复式内燃发动机的简化模型的值。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述尺寸参数的优化值(Pi)必须另外符合施加给所述尺寸参数(pi)的值的限制。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所施加的限制尤其由所使用的所述不平衡物的总体的总最大重量和/或所述不平衡物相对于所述曲轴的旋转轴线(X)的最大距离组成。
12.一种车辆的往复式内燃发动机，其移动连接体的惯性平衡是根据前述权利要求中任一项所述的方法实现。
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