CN105893686A - 精确控制压缩比一致性的设计和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种精确控制压缩比一致性的设计和制造方法，包括如下步骤：步骤1：推导发动机气缸的压缩比计算公式，通过灵敏度分析得到影响压缩比变动的关键尺寸；步骤2：通过全局优化算法对所述关键尺寸的公差进行优化求得优化后的公差带；步骤3：根据所述公差带，通过对所述关键尺寸在线测量并进行反馈控制和加工补偿。本发明首先推导压缩比与相关零部件尺寸的数学表达式，通过灵敏度分析确定影响压缩比的关键尺寸，对关键尺寸的公差进行全局优化设计，从而使压缩比的变动在允许范围内。

Description

精确控制压缩比一致性的设计和制造方法

技术领域

本发明涉及发动机，具体地，涉及一种精确控制压缩比一致性的设计和制造方法。

背景技术

在影响发动机技术参数如输出功率和扭矩等的诸多因素中，压缩比是一个至关重要的参数。压缩比低于设计值过多会导致混合气燃烧不完全、扭矩和功率降低、油耗增加，而压缩比高于设计值过多容易产生爆震，严重影响发动机的工作状态，因此适当的压缩比才能使发动机的运转平顺。对于多缸发动机来说，压缩比的一致性也必须得到严格控制从而使发动机能稳定运作，因此压缩比的变动需要控制在一定范围内，否则很难实现发动机性能的一致性。

压缩比大小与气缸总容积和压缩后的气缸容积有关，而容积与相关零部件尺寸相关，因此这些零部件的尺寸公差引起的尺寸波动必然影响发动机的压缩比变动。传统的压缩比设计中，对相关零部件的尺寸公差设计是基于设计者的经验，而并没有对尺寸公差进行优化设计和在线测量控制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种精确控制压缩比一致性的设计和制造方法。

根据本发明提供的精确控制压缩比一致性的设计和制造方法，包括如下步骤：

步骤1：推导发动机气缸的压缩比计算公式，通过灵敏度分析得到影响压缩比变动的关键尺寸；

步骤2：通过全局优化算法对所述关键尺寸的公差进行优化求得优化后的公差带；

步骤3：根据所述公差带，通过对所述关键尺寸在线测量并进行反馈控制和加工补偿。

优选地，所述步骤1包括如下步骤：

步骤101：推导发动机气缸的压缩比ε计算公式，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_c+V_s}{V_c}=1+\frac{V_s}{V_1+V_2+V_3+V_4+V_5}$

其中，V_c为气缸工作最小容积；V_s为气缸工作容积；V₁为活塞燃烧室容积；V₂为缸盖燃烧室容积；V₃为缸垫孔容积；V₄为缸体燃烧室容积；V₅为配缸间隙容积；

步骤102：建立V_c、V_s、V₁、V₂、V₃、V₄、V₅与气缸的相应尺寸之间的关系，进而形成压缩比与多个尺寸之间的关系：

ε＝f(x₁,x₂,...,x_i,...,x_n)

其中，x₁,x₂,…,x_i,...,x_n表示多个尺寸变量；i、n均为大于零的自然数；

步骤103：使每个尺寸固定在设计值，对每个尺寸求偏导，求得压缩比变动与相对应的尺寸变化的敏感系数k_i，即压缩比变化Δε与尺寸偏差Δx_i的比值：

$k_i=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\Δx}}_i}=\frac{\∂f}{\∂x_i}$

则由单个尺寸引起的压缩比变动为：

Δε＝k_iΔx_i

步骤104：将各尺寸的设计值x_i1和平均实测值x_i2代入k_i，即可得到理论敏感系数k_i1和实测敏感系数k_i2；

步骤105：将k_i1，k_i2，设计公差Δx_i1，实测统计偏差Δx_i2代入Δε＝k_iΔx_i可得单个尺寸设计公差引起的压缩比波动量Δε_n1和实测偏差引起的压缩比波动量Δε_n2；

步骤106：比较各尺寸引起的压缩比变动量，将引起压缩比变动量超过设定阈值的可的尺寸定义为关键尺寸。

优选地，在所述步骤2，所述全局优化算法为：

$\begin{array}{cc}\max & f={{\mathrm{\Σx}}_i}^2\\ s.t.& \max \left|\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\right|\≤{\mathrm{\Δ\ϵ}}_0\\ & x_i\∈\[0,1\],i=1,2,\mathrm{...},7\end{array}---\left(5\right)$

其中，

$\mathrm{\ϵ}=1+\frac{91526.412r_c}{12(V_1+V_2)+47085.776h_n+45763.208(H-r_c-l-h-0.04)+1710.058},$

Δε₀为定义的允许压缩比的变动范围；r_c为曲柄半径；V₁为缸盖燃烧室容积；V₂为活塞燃烧室容积；h_n为缸垫压缩后高度；H为缸体上表面到曲轴孔中心距离；l为连杆中心距；h为活塞压缩高。

优选地，|Δε|＝3σ，σ为统计标准差。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明首先推导压缩比与相关零部件尺寸的数学表达式，通过灵敏度分析确定影响压缩比的关键尺寸，对关键尺寸的公差进行全局优化设计，从而使压缩比的变动在允许范围内；

2、本发明运将尺寸公差决策问题从局部上升到全局，并从影响发动机压缩比的众多尺寸中确定对系统全局性能有决定性影响的关键尺寸，运用优化设计方法实现对尺寸公差的优化决策，在制造过程中通过对关键尺寸进行在线测量等实时控制，从而精确控制压缩比的一致性；

3、本发明思路清晰，简洁明了，对如何精确控制压缩比的一致性有一定的指导意义和应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中发动机气缸的结构示意图。

图2为本发明的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

发动机气缸示意图如图1所示，首先对压缩比公式进行推导，如公式(1)所示

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_c+V_s}{V_c}=1+\frac{V_s}{V_1+V_2+V_3+V_4+V_5}---\left(1\right)$

其中式中：V_c为气缸工作最小容积；V_s为气缸工作容积；V₁为活塞燃烧室容积；V₂为缸盖燃烧室容积；V₃为缸垫孔容积；V₄为缸体燃烧室容积(活塞运行到上止点时活塞边线圆平面与缸体上表面组成的空间)；V₅为配缸间隙容积。每个容积又可通过相关零部件的尺寸计算得到，共涉及曲轴、轴瓦、连杆、活塞及活塞销、缸体、缸盖、缸垫等8个零件，与25个尺寸相关。

最终所得压缩比公式中涉及的尺寸众多，而每个尺寸公差对压缩比变动的影响不尽相同，因而需要挑选出对压缩比一致性影响较大的尺寸。灵敏度分析通过建立系统输入和输出之间的量化联系进而分析系统输入的变化对系统输出的影响，可以有效的选出这些关键尺寸，具体方法步骤如下：

(1)压缩比是以这些尺寸为变量(对应以x₁,x₂,…,x_i,...,x_n表示)的函数，即：

ε＝f(x₁,x₂,...,x_i,...,x_n) (2)

(2)使每个参数固定在设计值，对每个尺寸求偏导，可求得压缩比波动对该尺寸变化的敏感系数k_i，即压缩比变化Δε与尺寸偏差Δx_n的比值：

$k_i=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\Δx}}_i}=\frac{\∂f}{\∂x_i}---\left(3\right)$

则由单个尺寸引起的压缩比变动为：

Δε＝k_iΔx_i (4)

(3)分别将各尺寸设计值x_i1和平均实测值x_i2代入k_i，即可得到理论敏感系数k_i1和实测敏感系数k_i2。

(4)将k_i1，k_i2，设计公差带Δx_i1，实测统计偏差Δx_i2(|Δε|＝3σ，σ为统计标准差)代入Δε＝k_iΔx_i可得单个尺寸设计公差引起的压缩比波动量Δε_n1和实测偏差引起的压缩比波动量Δε_n2。

(5)比较各尺寸引起的压缩比波动量可得到理论和实际对压缩比波动影响较大尺寸，即定义为关键尺寸。

所得关键尺寸如表1所示：

表1影响压缩比变动的9个关键尺寸

下一步是对关键尺寸的公差进行优化设计。目标方程定义为最大化优化变量的平方和，即考虑到加工成本，尽可能小的压缩原有设计公差带，并满足最大压缩比波动在允许范围内，从而对关键尺寸的精度进行优化决策。所得优化问题如公式(5)所示：

$\begin{array}{cc}\max & f={{\mathrm{\Σx}}_i}^2\\ s.t.& \max \left|\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\right|\≤{\mathrm{\Δ\ϵ}}_0\\ & x_i\∈\[0,1\],i=1,2,\mathrm{...},7\end{array}---\left(5\right)$

其中Δε₀为定义的允许压缩比的变动范围。通过解决上述优化问题，可以得到优化后的公差带。

根据优化结果，在制造过程中，对关键尺寸进行在线测量，通过反馈控制和加工补偿及整机压缩比的在线测量等措施，精确控制压缩比的一致性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种精确控制压缩比一致性的设计和制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：推导发动机气缸的压缩比计算公式，通过灵敏度分析得到影响压缩比变动的关键尺寸；

步骤2：通过全局优化算法对所述关键尺寸的公差进行优化求得优化后的公差带；

步骤3：根据所述公差带，通过对所述关键尺寸在线测量并进行反馈控制和加工补偿。

2.根据权利要求1所述的精确控制压缩比一致性的设计和制造方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤101：推导发动机气缸的压缩比ε计算公式，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_c+V_s}{V_c}=1+\frac{V_s}{V_1+V_2+V_3+V_4+V_5}$

其中，V_c为气缸工作最小容积；V_s为气缸工作容积；V₁为活塞燃烧室容积；V₂为缸盖燃烧室容积；V₃为缸垫孔容积；V₄为缸体燃烧室容积；V₅为配缸间隙容积；

步骤102：建立V_c、V_s、V₁、V₂、V₃、V₄、V₅与气缸的相应尺寸之间的关系，进而形成压缩比与多个尺寸之间的关系：

ε＝f(x₁,x₂,...,x_i,...,x_n)

其中，x₁,x₂,…,x_i,...,x_n表示多个尺寸变量；i、n均为大于零的自然数；

步骤103：使每个尺寸固定在设计值，对每个尺寸求偏导，求得压缩比变动与相对应的尺寸变化的敏感系数k_i，即压缩比变化Δε与尺寸偏差Δx_i的比值：

$k_i=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\Δx}}_i}=\frac{\∂f}{\∂x_i}$

则由单个尺寸引起的压缩比变动为：

Δε＝k_iΔx_i

步骤104：将各尺寸的设计值x_i1和平均实测值x_i2代入k_i，即可得到理论敏感系数k_i1和实测敏感系数k_i2；

步骤105：将k_i1，k_i2，设计公差Δx_i1，实测统计偏差Δx_i2代入Δε＝k_iΔx_i可得单个尺寸设计公差引起的压缩比波动量Δε_n1和实测偏差引起的压缩比波动量Δε_n2；

步骤106：比较各尺寸引起的压缩比变动量，将引起压缩比变动量超过设定阈值的可的尺寸定义为关键尺寸。

3.根据权利要求2所述的精确控制压缩比一致性的设计和制造方法，其特征在于，在所述步骤2，所述全局优化算法为：

max f＝Σx_i ²

s.t. max|Δε|≤Δε₀ (5)x_i∈[0,1],i＝1,2,...,7

其中，

$\mathrm{\ϵ}=1+\frac{91526.412r_c}{12(V_1+V_2)+47085.776h_n+45763.208(H-r_c-l-h-0.04)+1710.058},$

Δε₀为定义的允许压缩比的变动范围；r_c为曲柄半径；V₁为缸盖燃烧室容积；V₂为活塞燃烧室容积；h_n为缸垫压缩后高度；H为缸体上表面到曲轴孔中心距离；l为连杆中心距；h为活塞压缩高。

4.根据权利要求2所述的精确控制压缩比一致性的设计和制造方法，其特征在于，|Δε|＝3σ，σ为统计标准差。