CN113252352B - 一种小型内燃机曲轴系统模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型内燃机曲轴系统模拟装置及其模拟方法，该装置包括：安装平台、伺服电机、主动曲轴、左连杆、双头气缸、右连杆、从动曲轴及飞轮；伺服电机和双头气缸均安装在安装平台上；主动曲轴的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上；主动曲轴的主轴颈与伺服电机的输出轴同轴连接，二者可同步转动；主动曲轴的连杆颈与左连杆的一端铰接；左连杆的另一端与双头气缸的主活塞杆铰接；从动曲轴的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上；从动曲轴的主轴颈与飞轮同轴连接，二者可同步转动；从动曲轴的连杆颈与右连杆的一端铰接；右连杆的另一端与双头气缸的从活塞杆铰接；本发明能够真实模拟内燃机的曲轴系统，满足等效性的要求。

Description

一种小型内燃机曲轴系统模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明属于内燃机动力模拟系统技术领域，具体涉及一种小型内燃机曲轴系统模拟装置及其模拟方法。

背景技术

随着动力的不断强化，开展内燃机曲轴系统的刚强度、扭振及润滑等特性研究是内燃机研究的重点，现有比较普遍的研究方法主要是数值仿真与试验台架测试。数值仿真方法主要基于数值分析软件，输入模型参数、设定边界条件并求解相关参数；其主要缺点是仿真软件参数设置较为理想，未考虑到部分环境因素、材料特性参数的影响，计算结果与实际情况有一定的偏差。试验台架测试基于整机或单独系统搭建试验台架，并对曲轴系统进行测试，测试结果较为准确，但试验周期很长，成本高，测试流程复杂，严重影响了研究进度。

近年来，人们使用电机作为动力源，带动曲轴系统运动，以期研究曲轴系统的润滑等特性。在其研究曲轴轴心轨迹问题过程中，为解决传感器布置困难的问题，现有一种曲轴轴承轴心轨迹测试试验台。该试验台采用实际柴油机的曲轴和轴承构成试验装置主体，并用电机带动曲轴旋转，从而进行轴心轨迹测试，研究相关特性。但是，由于该试验台采用电机持续输出的方式带动曲轴旋转，与实际情况下燃气爆发压力与飞轮对曲轴的驱动作用不符，没有考虑不同冲程下曲轴转速的波动，对轴心轨迹的研究是不准确的，与实际情况有较大偏差，不满足与实际内燃机曲轴系统的等效性的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型内燃机曲轴系统模拟装置及其模拟方法，能够真实模拟内燃机的曲轴系统，满足等效性的要求。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种小型内燃机曲轴系统模拟装置，包括：安装平台、伺服电机、主动曲轴、左连杆、双头气缸、右连杆、从动曲轴及飞轮；

所述双头气缸内设有活塞，活塞的两端均设有活塞杆，令两个活塞杆分别为主活塞杆和从活塞杆；

整体连接关系如下：所述伺服电机和双头气缸均安装在所述安装平台上；

所述主动曲轴的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上；所述主动曲轴的主轴颈与所述伺服电机的输出轴同轴连接，二者可同步转动；所述主动曲轴的连杆颈与所述左连杆的一端铰接；所述左连杆的另一端与双头气缸的主活塞杆铰接；

所述从动曲轴的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上；所述从动曲轴的主轴颈与所述飞轮同轴连接，二者可同步转动；所述从动曲轴的连杆颈与所述右连杆的一端铰接；所述右连杆的另一端与双头气缸的从活塞杆铰接。

进一步的，所述主动曲轴的主轴颈两端的轴承采用滚动轴承。

进一步的，所述从动曲轴的主轴颈两端的轴承采用滑动轴承。

进一步的，所述滑动轴承内设有润滑油路，通过润滑油路给滑动轴承供油。

基于上述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法，具体步骤如下：

所述活塞将所述双头气缸的内腔分隔为两个腔体，令主活塞杆所在的腔体为主密封腔，从活塞杆所在的腔体为从密封腔；

令主动曲轴所在侧为左侧，从动曲轴所在侧为右侧；

令所述左连杆位于最左侧，且左连杆与所述主活塞杆共线时，所述主动曲轴的相位为0°；此时，右连杆也位于最左侧，且右连杆也与所述从活塞杆共线，活塞位于左侧的极限位置；

令所述主动曲轴的相位沿顺时针的方向逐渐增大；

令所述左连杆位于最右侧，且左连杆与所述主活塞杆共线时，所述主动曲轴的相位为180°；此时，右连杆也位于最右侧，且右连杆也与所述从活塞杆共线，活塞位于右侧的极限位置；

步骤1，设定伺服电机的信号周期和转速，并向双头气缸的主密封腔内充气，使得所述主密封腔内的压力大于从密封腔内的压力；调整主动曲轴的相位使其小于90°且大于0°后，从零速启动伺服电机，所述伺服电机带动所述主动曲轴转动，当主动曲轴转动到的相位为0°的位置后，开始进行内燃机曲轴系统的模拟，此时，伺服电机的输出轴转速为V；

步骤2，模拟单缸机做功扫气冲程：伺服电机从转速V启动后，顺序通过主动曲轴、左连杆、活塞杆、右连杆带动从动曲轴和飞轮同步转动，飞轮储存部分动能；直到主动曲轴的相位为180°时，所述伺服电机停止工作，此时，活塞到达右侧的极限位置；

步骤3，模拟单缸机压缩排气冲程：飞轮作为驱动部件顺序通过从动曲轴、右连杆、活塞杆、左连杆带动主动曲轴和伺服电机的输出轴同步顺时针转动，所述主动曲轴转动180°或540°，直到主动曲轴返回到相位为0°的位置，此时，活塞到达左侧的极限位置，伺服电机的输出轴转速为V’；在此过程中，活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大；

步骤4，重复步骤2和步骤3，若干循环后，进程加速过程与回程减速过程达到平衡，模拟装置内所有部件的速度达到稳定，即所述飞轮的转速处于稳定状态，此时，实现对小型内燃机曲轴系统的二冲程或四冲程的模拟。

进一步的，在从零速启动伺服电机后，伺服电机顺序通过所述主动曲轴、左连杆推动活塞向右侧移动；进而通过右连杆带动所述飞轮与所述从动曲轴同步转动，飞轮储存部分动能；

直到主动曲轴的相位为180°时，所述伺服电机停止工作，此时，活塞到达右侧的极限位置；飞轮作为驱动部件带动所述从动曲轴继续转动，进而通过右连杆推动活塞向左侧移动，活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大；同时，通过左连杆带动主动曲轴及伺服电机的输出轴继续同步转动，直到主动曲轴返回到相位为0°的位置，此时，伺服电机的输出轴转速为V，活塞到达左侧的极限位置。

进一步的，当模拟内燃机单缸机的二冲程模式时：设定伺服电机信号周期为：开始模拟二冲程后，伺服电机的输出轴每驱动转动°后，停止提供驱动转矩，被驱动转动180°后再次提供驱动转矩。

进一步的，当模拟内燃机单缸机的四冲程模式时：设定伺服电机信号周期为：开始模拟四冲程后，伺服电机的输出轴每驱动转动180°后，停止提供驱动转矩，被驱动转动540°后再次提供驱动转矩。

有益效果：

(1)本发明通过伺服电机、主动曲轴及双头气缸来模拟内燃机的单缸机燃气爆发压力(即单缸机做功扫气冲程)与单缸机压缩排气冲程中逐渐变化的压力，即通过向双头气缸的主密封腔内充气，使得所述主密封腔内的压力大于从密封腔内的压力，进而使得活塞在回程过程中阻力不断增大，能够模拟单缸机压缩排气冲程中的阻力变化，可以更好地满足等效性；从而使在本发明上进行的曲轴系统研究结果更为准确。

(2)本发明通过调节设定的伺服电机的转速，可以调节伺服电机的输出转矩，从而调节稳定状态时本发明内所有部件的速度，即调节从动曲轴的转速大小，实现多转速模拟。

(3)本发明通过设定伺服电机的不同的信号周期可以实现不同冲程单缸机的模拟，包括二冲程单缸机的模拟或四冲程单缸机的模拟。

附图说明

图1为本发明的结构组成图一；

图2为本发明的结构组成图二；

其中，1-伺服电机，2-主动曲轴，3-滚动轴承，4-左连杆，5-活塞杆，6-双头气缸，7-右连杆，8-从动曲轴，9-滑动轴承，11-飞轮。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种小型内燃机曲轴系统模拟装置，参见附图1-2，包括：安装平台、加载系统、双头气缸6及执行系统；所述加载系统、双头气缸6及执行系统均安装在安装平台上，其中，所述双头气缸6位于所述加载系统和执行系统之间；

所述加载系统包括：伺服电机1、主动曲轴2、滚动轴承3及左连杆4；

所述执行系统包括：右连杆7、从动曲轴8、滑动轴承9及飞轮11；

所述双头气缸6内设有活塞，活塞的两端均设有活塞杆5，令两个活塞杆5分别为主活塞杆和从活塞杆；所述活塞将所述双头气缸6的内腔分隔为两个腔体，令主活塞杆所在的腔体为主密封腔，从活塞杆所在的腔体为从密封腔；

整体连接关系如下：

所述伺服电机1和双头气缸6均安装在所述安装平台上；

所述主动曲轴2的主轴颈两端通过滚动轴承3和轴承座安装在安装平台上；所述主动曲轴2的主轴颈与所述伺服电机1的输出轴同轴连接，二者可同步转动；所述主动曲轴2的连杆颈与所述左连杆4的一端铰接；所述左连杆4的另一端与双头气缸6的主活塞杆铰接；

所述从动曲轴8的主轴颈两端通过滑动轴承9和轴承座安装在安装平台上；所述从动曲轴8的主轴颈与所述飞轮11同轴连接，二者可同步转动；所述从动曲轴8的连杆颈与所述右连杆7的一端铰接；所述右连杆7的另一端与双头气缸6的从活塞杆铰接；

其中，所述滑动轴承9内设有润滑油路，通过润滑油路给滑动轴承9供油，以减小从动曲轴8的转动阻力，即减小从动曲轴8的转动阻力。

基于上述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法，具体步骤如下：

令加载系统所在侧为左侧，执行系统所在侧为右侧；

令所述左连杆4位于最左侧，且左连杆4与所述主活塞杆共线时，所述主动曲轴2的相位为0°；此时，右连杆7也位于最左侧，且右连杆7也与所述从活塞杆共线，活塞位于左侧的极限位置；

令所述主动曲轴2的相位沿顺时针的方向逐渐增大；

令所述左连杆4位于最右侧，且左连杆4与所述主活塞杆共线时，所述主动曲轴2的相位为180°；此时，右连杆7也位于最右侧，且右连杆7也与所述从活塞杆共线，活塞位于右侧的极限位置；

(1)当模拟内燃机单缸机的二冲程模式时：

步骤1，准备阶段：设定伺服电机1信号周期(即开始模拟二冲程后，伺服电机1的输出轴每驱动转动180°后，停止提供驱动转矩，被驱动转动180°后再次提供驱动转矩)，设定伺服电机1的转速，并向双头气缸6的主密封腔内充气，使得所述主密封腔内的压力大于从密封腔内的压力；调整主动曲轴2的相位使其小于90°且大于0°，并留出足够的加速角度；

步骤2，启动阶段：将伺服电机1从零速启动，伺服电机1的输出轴带动所述主动曲轴2顺时针转动，所述左连杆4将所述顺时针转动转化为所述活塞杆5的直线运动，即推动活塞向右侧移动；所述右连杆7将所述直线运动转化为从动曲轴8的顺时针转动，进而带动所述飞轮11与所述从动曲轴8同步转动，飞轮11储存部分动能；

直到主动曲轴2的相位为180°时，所述伺服电机1停止提供驱动转矩，此时，活塞到达右侧的极限位置；由于飞轮11储存有部分动能，因此，飞轮11作为驱动部件带动所述从动曲轴8继续顺时针转动，进而通过右连杆7推动活塞向左侧移动，同时，通过左连杆4带动主动曲轴2及伺服电机1的输出轴继续同步顺时针转动；由于所述双头气缸6的主密封腔封闭，因此，活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大；直到主动曲轴2返回到相位为0°的位置，完成启动阶段，此时，伺服电机1的输出轴转速为V，活塞到达左侧的极限位置；在此过程中，主密封腔内的压力能够保证主动曲轴2转动至相位为360°的位置；

步骤3，模拟单缸机做功扫气冲程：伺服电机1再次提供转矩，即伺服电机1从转速V启动后，顺序通过主动曲轴2、左连杆4、活塞杆5、右连杆7带动从动曲轴8和飞轮11同步顺时针转动，飞轮11储存部分动能；直到主动曲轴2的相位为180°时，所述伺服电机1停止提供驱动转矩，此时，活塞到达右侧的极限位置，实现单缸机做功扫气冲程的模拟，同时实现了对模拟装置内所有部件的进程加速；

步骤4，模拟单缸机压缩排气冲程：由于飞轮11储存有部分动能，因此，飞轮11作为驱动部件顺序通过从动曲轴8、右连杆7、活塞杆5、左连杆4带动主动曲轴2和伺服电机1的输出轴同步顺时针转动，所述主动曲轴2转动180°，直到主动曲轴2返回到相位为0°的位置，此时，活塞到达左侧的极限位置，伺服电机1的输出轴转速为V’，实现单缸机压缩排气冲程的模拟，同时实现了对模拟装置内所有部件的回程减速；在此过程中，活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大，用于模拟单缸机压缩排气冲程中的阻力变化；

步骤5，重复步骤3和步骤4，若干循环后，进程加速过程与回程减速过程达到平衡，模拟装置内所有部件的速度达到稳定，即所述从动曲轴8的转速处于稳定状态，此时，可以实现对小型内燃机曲轴系统的二冲程的模拟，即等效小型内燃机曲轴系统的二冲程的工作状态；通过调节设定的伺服电机1的转速，可以调节伺服电机1输出转矩，从而调节稳定状态时从动曲轴8的转速大小，实现多转速模拟。

(2)当模拟内燃机单缸机的四冲程模式时：

步骤1，准备阶段：设定伺服电机1信号周期(即开始模拟四冲程后，伺服电机1的输出轴每驱动转动180°后，停止提供驱动转矩，被驱动转动540°后再次提供驱动转矩)，设定伺服电机1的转速，并向双头气缸6的主密封腔内充气，使得所述主密封腔内的压力大于从密封腔内的压力；调整主动曲轴2的相位使其小于90°且大于0°，并留出足够的加速角度；

步骤2，启动阶段：将伺服电机1从零速启动，伺服电机1的输出轴带动所述主动曲轴2顺时针转动，所述左连杆4将所述顺时针转动转化为所述活塞杆5的直线运动，即推动活塞向右侧移动；所述右连杆7将所述直线运动转化为从动曲轴8的顺时针转动，进而带动所述飞轮11与所述从动曲轴8同步转动，飞轮11储存部分动能；

直到主动曲轴2的相位为180°时，所述伺服电机1停止提供驱动转矩，此时，活塞到达右侧的极限位置；由于飞轮11储存有部分动能，因此，飞轮11作为驱动部件带动所述从动曲轴8继续顺时针转动，进而通过右连杆7推动活塞向左侧移动，同时，通过左连杆4带动主动曲轴2及伺服电机1的输出轴继续同步顺时针转动；由于所述双头气缸6的主密封腔封闭，因此，活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大；直到主动曲轴2返回到相位为0°的位置，完成启动阶段，此时，伺服电机1的输出轴转速为V，活塞到达左侧的极限位置；在此过程中，主密封腔内的压力能够保证主动曲轴2转动至相位为360°的位置；

步骤3，模拟单缸机做功扫气冲程：伺服电机1再次提供转矩，即伺服电机1从转速V启动后，顺序通过主动曲轴2、左连杆4、活塞杆5、右连杆7带动从动曲轴8和飞轮11同步顺时针转动，飞轮11储存部分动能；直到主动曲轴2的相位为180°时，所述伺服电机1停止提供驱动转矩，此时，活塞到达右侧的极限位置，实现单缸机做功扫气冲程的模拟，同时实现了对模拟装置内所有部件的进程加速；

步骤4，模拟单缸机压缩排气冲程：由于飞轮11储存有部分动能，因此，飞轮11作为驱动部件顺序通过从动曲轴8、右连杆7、活塞杆5、左连杆4带动主动曲轴2和伺服电机1的输出轴同步顺时针转动，所述主动曲轴2转动540°，直到主动曲轴2返回到相位为0°的位置，此时，活塞到达左侧的极限位置，伺服电机1的输出轴转速为V’，实现单缸机压缩排气冲程的模拟，同时实现了对模拟装置内所有部件的回程减速；

在此过程中，活塞先向左侧移动，直到达到左侧的极限位置，然后，再向右侧移动，直到达到右侧的极限位置，最后再向左侧运动，直到达到左侧的极限位置；活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大，用于模拟单缸机压缩排气冲程中的阻力变化；

步骤5，重复步骤3和步骤4，若干循环后，进程加速过程与回程减速过程达到平衡，模拟装置内所有部件的速度达到稳定，即所述从动曲轴8的转速处于稳定状态，此时，可以实现对小型内燃机曲轴系统的四冲程的模拟，即等效小型内燃机曲轴系统的四冲程的工作状态；通过调节设定的伺服电机1的转速，可以调节伺服电机1输出转矩，从而调节稳定状态时从动曲轴8的转速大小，实现多转速模拟。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型内燃机曲轴系统模拟装置，其特征在于，包括：安装平台、伺服电机(1)、主动曲轴(2)、左连杆(4)、双头气缸(6)、右连杆(7)、从动曲轴(8)及飞轮(11)；

所述双头气缸(6)内设有活塞，活塞的两端均设有活塞杆(5)，令两个活塞杆(5)分别为主活塞杆和从活塞杆；

整体连接关系如下：所述伺服电机(1)和双头气缸(6)均安装在所述安装平台上；

所述主动曲轴(2)的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上；所述主动曲轴(2)的主轴颈与所述伺服电机(1)的输出轴同轴连接，二者可同步转动；所述主动曲轴(2)的连杆颈与所述左连杆(4)的一端铰接；所述左连杆(4)的另一端与双头气缸(6)的主活塞杆铰接；

所述从动曲轴(8)的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上；所述从动曲轴(8)的主轴颈与所述飞轮(11)同轴连接，二者可同步转动；所述从动曲轴(8)的连杆颈与所述右连杆(7)的一端铰接；所述右连杆(7)的另一端与双头气缸(6)的从活塞杆铰接。

2.如权利要求1所述的一种小型内燃机曲轴系统模拟装置，其特征在于，所述主动曲轴(2)的主轴颈两端的轴承采用滚动轴承(3)。

3.如权利要求1或2所述的一种小型内燃机曲轴系统模拟装置，其特征在于，所述从动曲轴(8)的主轴颈两端的轴承采用滑动轴承(9)。

4.如权利要求3所述的一种小型内燃机曲轴系统模拟装置，其特征在于，所述滑动轴承(9)内设有润滑油路，通过润滑油路给滑动轴承(9)供油。

5.基于权利要求1所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法，其特征在于，具体步骤如下：

所述活塞将所述双头气缸(6)的内腔分隔为两个腔体，令主活塞杆所在的腔体为主密封腔，从活塞杆所在的腔体为从密封腔；

令主动曲轴(2)所在侧为左侧，从动曲轴(8)所在侧为右侧；

令所述左连杆(4)位于最左侧，且左连杆(4)与所述主活塞杆共线时，所述主动曲轴(2)的相位为0°；此时，右连杆(7)也位于最左侧，且右连杆(7)也与所述从活塞杆共线，活塞位于左侧的极限位置；

令所述主动曲轴(2)的相位沿顺时针的方向逐渐增大；

令所述左连杆(4)位于最右侧，且左连杆(4)与所述主活塞杆共线时，所述主动曲轴(2)的相位为180°；此时，右连杆(7)也位于最右侧，且右连杆(7)也与所述从活塞杆共线，活塞位于右侧的极限位置；

步骤1，设定伺服电机(1)的信号周期和转速，并向双头气缸(6)的主密封腔内充气，使得所述主密封腔内的压力大于从密封腔内的压力；调整主动曲轴(2)的相位使其小于90°且大于0°后，从零速启动伺服电机(1)，所述伺服电机(1)带动所述主动曲轴(2)转动，当主动曲轴(2)转动到的相位为0°的位置后，开始进行内燃机曲轴系统的模拟，此时，伺服电机(1)的输出轴转速为V；

步骤2，模拟单缸机做功扫气冲程：伺服电机(1)从转速V启动后，顺序通过主动曲轴(2)、左连杆(4)、活塞杆(5)、右连杆(7)带动从动曲轴(8)和飞轮(11)同步转动，飞轮(11)储存部分动能；直到主动曲轴(2)的相位为180°时，所述伺服电机(1)停止工作，此时，活塞到达右侧的极限位置；

步骤3，模拟单缸机压缩排气冲程：飞轮(11)作为驱动部件顺序通过从动曲轴(8)、右连杆(7)、活塞杆(5)、左连杆(4)带动主动曲轴(2)和伺服电机(1)的输出轴同步顺时针转动，所述主动曲轴(2)转动180°或540°，直到主动曲轴(2)返回到相位为0°的位置，此时，活塞到达左侧的极限位置，伺服电机(1)的输出轴转速为V’；在此过程中，活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大；

步骤4，重复步骤2和步骤3，若干循环后，进程加速过程与回程减速过程达到平衡，模拟装置内所有部件的速度达到稳定，即所述飞轮(11)的转速处于稳定状态，此时，实现对小型内燃机曲轴系统的二冲程或四冲程的模拟。

6.如权利要求5所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法，其特征在于，在从零速启动伺服电机(1)后，伺服电机(1)顺序通过所述主动曲轴(2)、左连杆(4)推动活塞向右侧移动；进而通过右连杆(7)带动所述飞轮(11)与所述从动曲轴(8)同步转动，飞轮(11)储存部分动能；

直到主动曲轴(2)的相位为180°时，所述伺服电机(1)停止工作，此时，活塞到达右侧的极限位置；飞轮(11)作为驱动部件带动所述从动曲轴(8)继续转动，进而通过右连杆(7)推动活塞向左侧移动，活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大；同时，通过左连杆(4)带动主动曲轴(2)及伺服电机(1)的输出轴继续同步转动，直到主动曲轴(2)返回到相位为0°的位置，此时，伺服电机(1)的输出轴转速为V，活塞到达左侧的极限位置。

7.如权利要求5或6所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法，其特征在于，当模拟内燃机单缸机的二冲程模式时：设定伺服电机(1)信号周期为：开始模拟二冲程后，伺服电机(1)的输出轴每驱动转动180°后，停止提供驱动转矩，被驱动转动180°后再次提供驱动转矩。

8.如权利要求5或6所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法，其特征在于，当模拟内燃机单缸机的四冲程模式时：设定伺服电机(1)信号周期为：开始模拟四冲程后，伺服电机(1)的输出轴每驱动转动180°后，停止提供驱动转矩，被驱动转动540°后再次提供驱动转矩。

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