CN115455574B - 一种增程动力系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增程动力系统技术领域，公开了一种增程动力系统设计方法，包括以下步骤：计算增程动力系统扭振模态频率；根据增程动力系统扭振模态频率选择发动机与发电机之间的连接部件；计算校核增程动力系统各部件扭振幅值，并确认扭振幅值是否满足目标；调整扭振减振器或双质量飞轮扭转刚度及阻尼，使各部件扭振幅值达到目标值。本发明通过扭振模态匹配设计计算；通过采用动力计算方法，校核动力系统振动响应；增程动力匹配设计扭振减振器及双质量飞轮；通过调整扭振减振器或双质量飞轮扭转刚度，使各部件扭振幅值达到目标值，实现了发动机与减速器及发电机之间NVH匹配设计，提高了减速器及发电机的工作平稳性及可靠性。

Description

一种增程动力系统设计方法

技术领域

本发明涉及增程动力系统技术领域，特别是涉及一种增程动力系统设计方法。

背景技术

随着新能源技术发展，增程动力系统以其低油耗，低排放，长续航里程等优点，应用越来越广。

增程动力系统主要由高效发动机驱动减速器及发电机，发电机发电提供动力。但由于发动机的工作特点，其输出动力由气缸内燃油燃烧爆发压力驱动曲轴，使得发动机的输出存在周期性振动，该振动会传递给减速器及发电机，造成减速器及发电机工作不稳定，产生噪声、异响及振动等NVH问题，甚至可能会导致减速器、发电机等失效的问题，所以，发动机及发电机NVH的匹配设计显得尤为重要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种增程动力系统设计方法，通过发动机与减速器及发电机之间NVH匹配设计，降低减速器及发电机输入振动，提高减速器及发电机的工作平稳性及可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种增程动力系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，计算增程动力系统扭振模态频率；

S2，根据增程动力系统扭振模态频率选择发动机与发电机之间的连接部件；

S3，计算校核增程动力系统各部件扭振幅值，并确认扭振幅值是否满足目标；

S4，调整扭振减振器或双质量飞轮扭转刚度及阻尼，使各部件扭振幅值达到目标值。

本申请的一些实施例中，增程动力系统扭振模态频率的计算方法为：

式中：

I₁：发动机转动惯量；I₂：减速器与发电机之间转动惯量；K₄₅：发动机与发电机间连接部件扭转刚度。

本申请的一些实施例中，选择发动机与发电机之间的连接部件时，需保证发动机最低转速频率高于增程动力系统扭振模态频率ω。

本申请的一些实施例中，发动机与发电机之间的连接部件包括扭振减振器及双质量飞轮；

当发动机与发电机之间的扭转刚度小于15Nm/°时选用双质量飞轮；

当发动机与发电机之间的扭转刚度大于或等于15Nm/°时选用扭振减振器。

本申请的一些实施例中，计算校核增程动力系统各部件扭振幅值时，采用动力学计算方法，建立增程式动力系统多质量动力学计算方程，将选定的连接部件刚度参数代入多质量动力学计算方程中计算，

其中，多质量系统动力学计算方程为：

其中，I为转动惯量矩阵；K为扭转刚度矩阵；C为阻尼矩阵；X为扭振幅值；T为发动机爆发压力载荷矩阵；

为扭振幅值的一阶导数，即角速度；/>

为扭振幅值的二阶导数，即角加速度；

K₄₅为可调整量，通过调整K₄₅，可计算得到不同的X值。

本申请的一些实施例中，多质量系统的扭转振动力学模型中，曲轴各缸可以简化为集中质量点，各质量点转动惯量矩阵I通过扭转刚度矩阵K、阻尼矩阵C连接，发动机爆发压力载荷矩阵T施加在各质量点上，且其中：

转动惯量矩阵为：

扭转刚度矩阵为：

阻尼矩阵为：

发动机爆发压力载荷矩阵为：

T＝[T1 T2 T3 T4 T5]^T

其中，K₄₅为可调整量，通过调整K₄₅，可计算得到不同的X值。

本申请的一些实施例中，确认扭振幅值是否满足目标时，通过判断计算结果角加速度

是否满足限值要求，若满足，则完成增程动力系统匹配设计；

若不满足，则通过调整扭转刚度K₄₅，重复上述步骤S1-S3计算，直至计算结果的角加速度

满足限值要求。

本申请的一些实施例中，角加速度

是否满足限值要求为450～550rad/s²。

本申请的一些实施例中，调整扭转刚度K₄₅时，采用降低扭转刚度K₄₅的方式调整。

本申请的一些实施例中，上述转动惯量矩阵、扭转刚度矩阵、阻尼矩阵中的参数均为输入值，且除K₄₅外其他都为固定值，K₄₅为可调整量。

本发明实施例的一种增程动力系统设计方法，与现有技术相比，其有益效果在于：本发明通过扭振模态匹配设计计算，避免系统共振；通过采用动力计算方法，校核动力系统振动响应，避免系统振动过大而产生NVH问题；同时，增程动力匹配设计扭振减振器及双质量飞轮，避免共振；最后通过调整扭振减振器或双质量飞轮扭转刚度，使各部件扭振幅值达到目标值，从而实现了发动机与减速器及发电机之间NVH匹配设计，降低减速器及发电机输入振动，提高减速器及发电机的工作平稳性及可靠性。本发明操作简单，使用效果好，易于推广使用。

附图说明

图1为本发明的增程动力系统设计方法流程图。

图2为曲轴转角模型示意图。

图3为本发明的多质量系统的扭转振动力学模型示意图。

图4为本发明的增程动力系统具体匹配设计流程示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

名词解释：

NVH：噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文缩写。这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。

车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，而各大公司有近20％的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上，所以，解决增程动力系统的NVH问题具有较好的实际意义。

如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种增程动力系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，计算增程动力系统扭振模态频率，避免动力系统扭振模态与发动机工作转速共振；

请参阅图2，计算过程采用扭振模态计算方法，基于双质量系统扭振模态计算方法，增程动力系统扭振模态频率的计算方法为：

式中：

I₁为发动机转动惯量，其为已知量，通过测量发动机转动惯量可得；

I₂为减速器与发电机之间转动惯量，其为已知量，通过测量发电机及减速器转动惯量可得；

K₄₅为发动机与发电机间连接部件扭转刚度，其为已知量，通过扭转刚度测试可得；

ω为增程动力系统扭振模态频率，其为未知量，通过上式计算可得。

需要说明的是，由于发动机与减速器直接连接，其为一个整体，所以只需获得发动机与发电机间连接部件扭转刚度K₄₅即可。在这一步中，发动机与发电机间连接部件为预选件，通过测量预选件的扭转刚度获得K₄₅，然后通过该数据获得增程动力系统扭振模态频率ω。

S2，根据增程动力系统扭振模态频率选择发动机与发电机之间的连接部件；

根据上述扭振模态频率计算结果，为避免增程动力系统扭振模态频率ω与发动机的工作转速产生共振，发动机的最低转速(即怠速)频率须高于增程动力系统扭振模态频率ω。即发动机与发电机之间的连接部件扭转刚度K₄₅的选择须使增程动力系统扭振模态频率ω低于发动机的怠速频率。

发动机及发电机间连接部件一般有两种选择，分别为扭振减振器及双质量飞轮。由于结构限制，扭振减振器扭转刚度K₄₅不能做到很低，所以，当发动机与发电机之间的扭转刚度小于15Nm/°时，发动机与发电机之间的部件需选用双质量飞轮，从而可以避免共振，确定K₄₅的最大值；

当发动机与发电机之间的扭转刚度大于或等于15Nm/°时，发动机与发电机之间的部件可选用扭振减振器，从而可以避免共振。

步骤S3在此基础上继续计算，如果S3步计算的扭振幅值不满足要求，则继续调小K₄₅，直到扭振幅值满足要求，具体如下。

S3，计算校核增程动力系统各部件扭振幅值，并确认扭振幅值是否满足目标；

具体地计算时，根据前一步计算结果，采用动力学计算方法，建立增程式动力系统多质量动力学计算方程，将选定的连接部件刚度参数代入多质量动力学计算方程中，从而可以计算出增程动力系统各部件扭振幅值，并确认扭振幅值是否满足目标。

其中，多质量系统动力学方程由牛达朗贝尔原理建立，其具体计算方程为：

其中，I为转动惯量矩阵；K为扭转刚度矩阵；C为阻尼矩阵；X为扭振幅值；T为发动机爆发压力载荷矩阵；

为扭振幅值的一阶导数，即角速度；/>

为扭振幅值的二阶导数，即角加速度。

图3为多质量系统的扭转振动力学模型，曲轴各缸可以简化为集中质量点，各质量点转动惯量矩阵I通过扭转刚度矩阵K、阻尼矩阵C连接(这三个矩阵中的参数均为输入值，除K₄₅外其他都为固定值，K₄₅为可调整量)，发动机爆发压力载荷矩阵T施加在各质量点上。

其中：

转动惯量矩阵为：

扭转刚度矩阵为：

阻尼矩阵为：

发动机爆发压力载荷矩阵为：

T＝[T1 T2 T3 T4 T5]^T

上述转动惯量矩阵、扭转刚度矩阵、阻尼矩阵中的参数均为输入值，且除K₄₅外其他都为固定值，K₄₅为可调整量。发动机爆发压力载荷矩阵T为已知量，通过缸压测试(或热力学计算)得到。

从而可知，上述各式中，K₄₅为可调整量，通过调整K₄₅，再通过多质量系统动力学计算方程

可计算不同的K₄₅所得到的不同的X值。然后再通过获得的X值，判断扭振幅值是否满足目标，若不满足则进行调整，具体判断方法为步骤S4。

S4，调整扭振减振器或双质量飞轮扭转刚度及阻尼，使各部件扭振幅值达到目标值。

经过上述动力学计算，可以获得增程动力系统各部件扭振幅值角位移X，角速度

以及角加速度/>

并根据满足系统NVH要求，确认扭振幅值是否满足目标时，通过判断计算结果的角加速度/>

是否满足限值要求，若满足，则完成增程动力系统匹配设计；

若不满足，则通过调整扭转刚度K₄₅，重复上述步骤S1-S3计算，直至计算结果的角加速度

满足限值要求。判断计算结果角加速度/>

是否满足限值要求，其中，角加速度/>

是否满足限值要求为450～550rad/s²，如480rad/s²、520rad/s²、530rad/s²等，不过优选500rad/s²。若满足，则完成增程动力系统匹配设计。

如果不满足，则通过调整扭振减振器或双质量飞轮的扭转刚度K₄₅，重复上述步骤S3计算，直至计算结果角加速度

是满足限值要求，增程动力系统匹配设计完成。

其中，调整扭振减振器或双质量飞轮的扭转刚度K₄₅时，可以采用升高或降低的方式，不过在实际应用中，一般为采用降低的方式进行调整。

基于上述技术特征的增程动力系统设计方法，通过扭振模态匹配设计计算，避免系统共振；通过采用动力计算方法，校核动力系统振动响应，避免系统振动过大而产生NVH问题；同时，增程动力匹配设计扭振减振器及双质量飞轮，避免共振；最后通过调整扭振减振器或双质量飞轮扭转刚度，使各部件扭振幅值达到目标值，从而实现了发动机与减速器及发电机之间NVH匹配设计，降低减速器及发电机输入振动，提高减速器及发电机的工作平稳性及可靠性。本发明操作简单，使用效果好，易于推广使用。

请参阅图4，综上，本发明采取的技术方案如下:

1)增程动力系统扭振模态匹配设计计算。

2)采用动力计算方法，校核动力系统振动响应。

3)扭振减振器及双质量飞轮匹配设计增程动力系统。

具体的增程动力系统匹配设计流程为：先预选增程系统参数，根据该参数进行模态设计匹配计算，当连接部件满足共振转速要求时则进行动力学分析，进一步判断连接部件的扭振幅值是否满足目标，满足即匹配设计完成，当不满足时则调整预选增程系统参数继续进行匹配。同时，当连接部件不满足共振转速要求时也调整预选增程系统参数继续进行匹配。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种增程动力系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，计算增程动力系统扭振模态频率；

S2，根据增程动力系统扭振模态频率选择发动机与发电机之间的连接部件；

S3，计算校核增程动力系统各部件扭振幅值，并确认扭振幅值是否满足目标；

S4，调整扭振减振器或双质量飞轮扭转刚度及阻尼，使各部件扭振幅值达到目标值；

计算校核增程动力系统各部件扭振幅值时，采用动力学计算方法，建立增程式动力系统多质量动力学计算方程，将选定的连接部件刚度参数代入多质量动力学计算方程中计算，

其中，多质量系统动力学计算方程为：

其中，I为转动惯量矩阵；K为扭转刚度矩阵；C为阻尼矩阵；X为扭振幅值；T为发动机爆发压力载荷矩阵；

为扭振幅值的一阶导数，即角速度；

为扭振幅值的二阶导数，即角加速度；

多质量系统的扭转振动力学模型中，曲轴各缸可以简化为集中质量点，各质量点转动惯量矩阵I通过扭转刚度矩阵K、阻尼矩阵C连接，发动机爆发压力载荷矩阵T施加在各质量点上，且其中：

转动惯量矩阵为：

扭转刚度矩阵为：

阻尼矩阵为：

发动机爆发压力载荷矩阵为：

T＝[T1 T2 T3 T4 T5]^T

其中，K₄₅为可调整量，通过调整K₄₅，可计算得到不同的X值；

确认扭振幅值是否满足目标时，通过判断计算结果角加速度

是否满足限值要求，若满足，则完成增程动力系统匹配设计；

若不满足，则通过调整扭转刚度K₄₅，重复上述步骤S1-S3计算，直至计算结果的角加速度

满足限值要求。

2.如权利要求1所述的增程动力系统设计方法，其特征在于：增程动力系统扭振模态频率的计算方法为：

式中：

I₁：发动机转动惯量；I₂：减速器与发电机之间转动惯量；K₄₅：发动机与发电机间连接部件扭转刚度。

3.如权利要求1所述的增程动力系统设计方法，其特征在于：选择发动机与发电机之间的连接部件时，需保证发动机最低转速频率高于增程动力系统扭振模态频率ω。

4.如权利要求3所述的增程动力系统设计方法，其特征在于：发动机与发电机之间的连接部件包括扭振减振器及双质量飞轮；

当发动机与发电机之间的扭转刚度小于15Nm/°时选用双质量飞轮；

当发动机与发电机之间的扭转刚度大于或等于15Nm/°时选用扭振减振器。

5.如权利要求1所述的增程动力系统设计方法，其特征在于：角加速度

是否满足限值要求为450～550rad/s²。

6.如权利要求1所述的增程动力系统设计方法，其特征在于：调整扭转刚度K₄₅时，采用降低扭转刚度K₄₅的方式调整。

7.如权利要求1所述的增程动力系统设计方法，其特征在于：上述转动惯量矩阵、扭转刚度矩阵、阻尼矩阵中的参数均为输入值，且除K₄₅外其他都为固定值，K₄₅为可调整量。

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