（动力机械及工程专业论文）轻度hev混合动力系统轴系机电耦合动力学特性的研究.pdf

摘要本文根据轻度混合动力电动汽车( h e v ) 混合动力系统结构的特性，探讨了混合动力系统轴系在发动机系统和电气系统耦合作用下的振动问题。分析了其轴系扭转等振动产生的原因和特点。增进了对其轴系耦合动力特性和振动规律的全面了解，为设计和故障诊断及振动噪声控制提供详细的理论依据。采用有限元的方法研究了t j 3 7 6 q e 汽油机曲轴及其轴系、混合动力系统轴系的动态特性。建立了包括曲轴和转子等部件的有限元模型，对不同曲轴系统进行了模态分析，得到了混合动力系统轴系在自由状态和约束状态下的固有频率和模态振型，并与t j 3 7 6 q e 汽油机轴系进行了对比。建立了包括曲轴柔性体部件模型、活塞连杆组及转子在内的刚性体部件模型以及构件间约束和作用力模型，并将它们综合建立了混合动力系统轴系的多体动力学分析模型；仿真得出混合动力系统轴系在发动机模式下的三维振动情况，并通过实验测量验证了仿真分析结果。在分析研究影响混合动力轴系振动的主要电机特性参数的基础上，对混合动力系统轴系处于机电耦合作用下的动力学特性进行了全面的分析。分别从电机发电和助推两种不同模式下系统轴系动力学特性进行了探讨，并和发动机模式对比得出一些有益的结论。还就电磁参数对轴系振动影响的机理进行了分析。同时还进行了转子与曲轴联结的可靠性分析计算。根据理论研究的结果及实际运行当中的有关振动和噪声问题进行了一系列的实验研究。通过实验和理论结果的对比两者可以定性的一致。同时还进行了电磁作用对机体表面振动噪声影响的实验研究以及电机瞬态工况对系统性能影响的实验研究。以扭振作为优化目标，仿真分析了不同转子惯量下轴系扭振的变化规律，进行不同的皮带轮对轴系扭振影响的理论研究，通过选用合理的扭振减振器参数做进一步的优化组合，还就电机的结构设计提出了一些有益的改进建议。关键词：混合动力电动汽车( h e v ) 、轻度混合动力系统、轴系、机电耦合、振动和噪声、电磁参数、多体动力学模型a b s t r a c tt h i st h e s i ss t u d i e d 血ev i b r a t i o np r o b l e mo fm i l dh y b r i ds y s t e ms h a f l sc o u p l e db yt h ee n g i n ea n de l e c t r i c i t ys y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i l dh y b r i ds y s t e ms t r u c t u r eo fh e v n 地r e a s o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i o nw e r ea n a l y z e d s u c ha st o r s i o n a lv i b r a t i o ne t c c o m p l e t eu n d e r s t a n dw a sp r o m o t e da st oi f st h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ev i b r a t i o nr e g u l a t i o n ，a n dt h ed e t a i l e dt h e o r i e sw e r ep r o v i d e df o rd e s i g n 、d i a g n o s i sa n dc o n l z o lo f v i b r a t i o na n dn o i s et h ec r a n k s h a f ts y s t e m d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft j 3 7 6 q eg a s o l i n ea n dh e vw e r es t u d i e db yf e a t h em o d e lw a sc o n s t r u c t e di n c l u d i n gt h ep a r t ss u c ha sc r a n k s h a f ta n dr o t o re t c ，a n dt h em o d ea n a l y s i sw a sp r o c e e d e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fh y b r i ds y s t e mu n d e rf r e ec o n d i t i o na n da tt h eo p e r a t i n gs t a t u sw a ss t u d i e d a n dw a sc o n t r a s t e dw i t ht j 3 7 6 q eg a s o l i n e t h em o d e lw a sc o n s t r u c t e di n c l u d i n gf l e x i a b l ec r a n k s h a f ta n dt h er i g i dp i s t o n c o n c o r d 、r i g i dr o t o r , a n dm u l t i - d y n a m i c sa n a l y s i sm o d e lo fh y b r i ds y s t e mw a sc o n s t r u c t e d t h et h r e e - d i m e n s i o n a lv i b r a t i o no fh y b r i ds y s t e mu n d e re n g i n em o d ew b _ ss i m u l a t e d ，a n dt h ea n a l y s i sr e s u rw a sv e r i f i e db yt h et e s t o nt h eb a s i so fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fm o t o r ，t h er e s e a r c hw a sc o m p l e t e l yp r o c e e d e do fh y b r i ds y s t e m d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i cu n d e rm e c h a n i c a l e l e c t r i c 。t h eh y b r i ds y s t e m d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e dw h e nm o t o rw e r et w od i f f e r e n tk i n d so fm o d ef r o mh e l pt op u s h ，a n dw e r ec o n t r a s t e dw i t he n g i n em o d ea n ds o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o nw e r ed r a w n t h ea n a l y s i so fv i b r a t i o ni n f l u e n c e db ye l e c t r o m a g n e t i s mp a r a m e t e r sw a sp r o c e e d e d a tt h es a m et i m e ，a n dt h ed e p e n d a b l ea n a l y s i sb e t w e e n 也er o t o ra n dc r a n k s h a f tw a sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h e o r i e sa n dt h ep r o b l e m sr e l e v a n tt ov i b r a t i o na n dn o i s ei np r a c t i c e ，as e r i e so fe x p e r i m e n tr e s e a r c hw e r ep r o c e e d e d c o n t r a s t e dw i t ho ft h ee x p e r i m e n t ，t h er e s u l to ft h e o r i e sw a sc o n s i s t e n ti nq u a l i t yw i t hi t a tt h es a m et i m e ，t h ei n f l u e n c ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho ft h em a c h i n es u r f a c ev i b r a t i o na n dn o i s eu n d e rt h ee l e c t r o m a g n e t i s mf u l n c t i o na n dt h es y s t e mf u n c t i o ni ni n s t a n t a n e o u ss t a t u so f m o t o rw e r ep r o c e e d e d a i m i n gt oo p t i m i z et h et o r s i o n a lv i b r a t i o n ，a n a l y s i so ft o r s i o n a lv i b r a t i o nu n d e rd i f f e r e n ti n e r t i ao fr o t o rw a sd o n e t h et h e o r ys t u d ya b o u tt h a td i f f e r e n tp u l l e yi n f l u e n c et o r s i o n a lv i b r a t i o nw a sp r e c e d e d t h ef u r t h e ro p t i m u mw a sd o n eb yc h o o s i n gr e a s o n a b l ed a m p e rp a r a m e t e r s ，a n ds o m eb e n e f i c i a ls u g g e s t i o nf o rt h ec o n s t r u c t i o nd e s i g no fm o t o rw a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：h e vm i l dh y b r i ds y s t e ms h a f ts y s t e me l e c t r o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gv i b r a t i o na n dn o i s ee l e c t r o m a g n e t i s mp a r a m e t e r sm u l t i d y n a m i c sm o d e l独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获键盘洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：象j “傍签字日期：册年j _ 月，j 一日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盘洼盘鲎有关保留、使用学位论文的舰定。特授权基叠盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：岳蔫，呜导师签名；签字日期：埘年j 一月，r 日签字日期日第一章绪论1 1 引言第一章绪论当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占8 0 以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了其动力潜能的4 0 ，在市区还会跌至2 5 ，更严重的是排放废气污染环境。2 0 世纪9 0 年代以来，随着全球汽车工业的发展，汽车的产量、销售量和保有量在逐年增加，因此对石油资源的需求，对生态环境的影响也越来越大。世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各国制定了一系列十分严格的排放法规，要求生产厂家设法减少汽车排放，开发无污染和超低污染汽车，各种各样的电动汽车也脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值。专家估计在未来一段时间内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车。为此想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力汽车装置h e v( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 。所谓混合动力装置就是将电动机与其它动力单元组合在一辆汽车上做驱动力。其它动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。这样既利用了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。同时，振动问题一直是动力机械装置动力学研究的重要问题，一个多世纪以来，为了保证动力装置安全稳定地运行，从振动系统的结构建模、振动的分析计算、振动的测量、诊断到振动控制等各方面，人们都进行了广泛而深入的研究。一方面人们在不断地研究振动，分析振动产生的影响，另一方面，实际上也是研究振动的最终目的，就是人们不断的寻找如何避免和控制振动的技术和方法。随着对结构振动分析的日益深入，减振、吸振、隔振等各项振动控制和消减技术的开发和应用也取得了丰富的研究成果。同时，现代控制理论的不断发展和更新，也将振动的控制从被动控制领域引入到主动控制领域，相应的主动减振、主动吸振、主动隔振等各种控制方法，以及最优控制、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等各种控制策略都应用于结构的振动控制中，并因其高效、快捷、调整方便、适应性好等优点使得主动控制技术在振动控制领域中受到越来越多的关注【j 。5 】。第一章绪论1 2 选题研究的背景和目的混合动力电动车按照能量合成的形式主要分为串联式( s h e v ) 年 i 并联式( p h e v ) 两种。动力系统结构形式较纯发动机驱动形式发生了改变( 结构型式存在发动机电动机的耦合作用) ，这种改变带来了动力和传动系统振动特性的改变。混合动力电动汽车( h e v ) 的核心是混和动力驱动系统。对于一个存在多种变化因素的旋转轴系，振动现象总是不可避免的。对于系统轴系振动问题，由于发动机系统和电气系统对其混合动力系统轴系的耦合作用，改变了轴系的激励特性，将会使轴系振动和作用于各轴段的转矩及其机械应力发生改变。尤其当出现冲击转矩或交变转矩时，如果作用于轴段的转矩改变过大，轴系某一截面上会出现不可接受的扭矩剪切应力：或者作用于轴系的交变转矩频率与轴系某一固有扭矩频率相等或相近，则会产生谐振，激发起较大的附加惯性力和力矩，它会引起机械结构疲劳和破坏。造成混合动力系统轴系的损伤，甚至断裂。由此可见，为了减少振动给混合动力系统轴系带来的危害，避免事故的发生，就其轴系振动产生的原因和特点对其进行理论分析计算和试验分析是完全必要的。本文研究课题以天津市科委重大科技公关项目一夏利混合动力电动汽车的研究为背景，为配合产品的研究工作就其混合动力系统轴系的振动问题展开分析研究。该项目课题由中国汽车技术中心下属单位一清源电动汽车车辆股份公司牵头，联合天津汽研所、天津大学、蓝天高科有限公司以及兰州环电科技公司等单位联合开发研制完成。本文研究的目的是根据混合动力电动汽车( h e v ) 混合动力系统结构的特殊性，探讨混合动力系统轴系在发动机系统和电气系统的耦合作用下叛动问题。分析其轴系扭转等振动产生的原因和特点。增进对其轴系耦台动力特性和振动规律的全面了解，为设计和故障诊断及振动噪声控制提供详细的理论依据。从而推动混合动力电动汽车( h e y ) 设计水平的提高，以期在较小的研究范围内和最短的周期内得到混合动力电动汽车( h e v ) 的最佳丌发方案，并且加快其成熟发展。因此，本项研究不论在理论上还是在应用上都具有重要的学术意义和实用价值。第一章绪论1 3 国内外hev 研究现状1 3 1 国外混合动力汽车发展概况哺随着人们对可持续发展的认识程度越来越高。各国政府也将可持续发展战略列入首选课题。九十年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。进入2 1 世纪后，各国加快了h e v 的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的h e v 产品，t o y o t a 的p r i u s 、h o n d a 的t n s i g h t 、d a i m l e rc h r y s l e r 的e s x 3 、f o r d 的p r o d i g y 、n i s s a n 的t i n o 、g m 的p r e c e p t 等都是具有代表性的车型，其中p r i u s 和i n s i g h t已是成熟的产品，并将继续扩大生产规模，其它车型也将在近几年内推向市场。很多车型都显示出了优良的环保与节能性能。这标志着h e v 市场的逐渐成熟。随着各国环境立法的日趋严厉，电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高阻及其成本的不断降低，混合动力汽车的市场份额逐渐增大，已成为重点发展的新型汽车。1 3 2 我国混合动力汽车发展概况我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，一些有关单位的起步研究工作正在展开，国家科技部己将其作为“十五”8 6 3 重大专项的内容。我国有关电动汽车的研制开始于9 0 年代。从1 9 9 6 年开始，广东省科委统一协调组织研制电动汽车，并取得了可喜的进展。清华大学研制了电动中型客车；中国远望( 集团) 总公司与北京理工大学、国防科技大学和河北胜利客车厂等单位联合，于1 9 9 6 年3 月研制成功了5 1 座y w 6 1 2 0 型电动大客车。在此基础上，我国混合动力汽车的研制也有了一定的进展。1 9 9 8 年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车；同年，江苏理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目一一混合动力公交轻型客车z j k6 7 0 0 h e v 串联式混合动力的研制，目前样车的研制工作已结束。汽在2 0 0 1年4 月1 9 日闭幕的第3 届北京国际清洁车展上推出款混合动力轿车一红旗c a 7 1 8 0 a e ，这款串联式的混合动力轿车是由一汽汽研所、美国电动车第一章绪论距洲7 公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作完成的，属串联式结构的中高档车型。清华大学与沈阳金杯客车翻造有限公司在2 0 0 1 年3 届签订了“s y 6 4 8 0 混合动力客车的研制与开发”合作项目的合同。深圳明华环保汽车有限公司于2 0 0 1 年4 月推出了混合电动环保汽车m h 6 7 2 0 ，引起社会各界关注。该车采用的是并联式混合动力系统，发动机为8 7 k w 。电机为3 1 2 v ，充电次数大于5 0 0 次，异步交流电机平均功率为3 6 k w ，满载最高车速9 0k m h ，最大爬坡度3 3 ，续驶程长可达1 0 8 0k m ，纯电机驱动时为1 0 0 k m ，百公里等速油耗7 6 9 l ，乘客数2 2 。其尾气排放达欧洲标准，噪声指标也大大低于国产普通中巴车。东风汽车公司承接“8 6 3 ”混合动力研制项目现已完成，并已于最近推出混合动力客车样车，整车性能良好。我国通过国家“八五”、“九五”甚至“十五”电动汽车的科技攻关，在h e v 方面积累了一定的技术基础和经验。1 3 3 混合动力系统的构成盯的通常，在内燃机和电动机双动力组成的混合动力系统中动力传递方式有两种：串联和并联。串联式结构的特点是用发动机发电，供电动机驱动车轮。所有发动机机械能都转换为电能以驱动电动机。在车辆上装有蓄电池，储存发动机带动发电机产生的电能。适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使原动机在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，从而使复杂工况下系统的性能有所提高。在电池s o c 较高时还可以关闭原动机，只利用电池进行功率输出。使原动机避免了怠速和低速运行工况，提高了原动机的效率，减少了有害物排放。但是串联式结构的燃油经济性还有待提高。这是因为虽然原动机的工况得到改善，但是原动机作的功，通过发电机、电池、控制器和电动机，在电能与机械能的转化过程中有效率损失，所以整个驱动系统排放较低，丽效率没有根本性的提高。这种系统主要用于城市大客车，在轿车中很少见。并联式结构有内燃机和电动机两套驱动系统。发动机与电动机并联电动机与发动机都可以驱动车轮，电动机还可以作为发电机给电池充电，不再需要额外的发电机。在车辆行驶时，以发动机为主要动力源，在车辆起步或加速时则使电动机工作，作为辅助驱动力。当发动机效率低的低负荷工况时，第一章绪论则电动机功能转变为发电机功能，向蓄电池充电。其次，在车辆制动或下坡减速行驶时，则通过制动能量回收系统进行制动能量回收，进行发电，并向蓄电池充电。而车辆停止时，使发动机停止运转，以限制能量消耗。它们可分开工作也可一起协调工作，共同驱动。并联式混合动力电动汽车可以在比较复杂的工况下使用，应用范围比较广，但是对内燃机工作状态的优化和对能量系统的管理则提出了更高的要求。并联式结构由于电机的数量和种类的不同。传动系统的类型、部件的数量( 如离合器的数量) 以及位置关系( 如电机与离合器的位置关系) 的差别，具有明显的多样性。结构上划分为两种形式：单轴式和双轴式。其中最具代表性豹分别是hon1 3a 的 m a ( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) 集成电动机辅助系统和t o y o t a 的t h s 系统。t h s 系统已用于丰阳p r i u s 混合动力轿车( 见图1 ) 。该系统通过行星齿轮机械连接发动机和电动机输出来控制动力分配，由于驱动力同时来自于发雹l 哪混合磷办禾饿蛄鞠1 箱2奉1 jl ，。i g h l 础匀最瑰 t 1动机和电动机，所以能便发动机输出相对设定在较低水平，行驶中可便发动机停止工作而按电动汽车模式行驶，它属于强劲式混合动力系统。i m a 混合动力系统( 见图2 ) 盼汽油发动机为主要动力，电动机为辅助动力，动力配比为9 ：l ，最大转矩配比为l ：1 4 。电动机与发动机曲轴直接相连，在启动和加速时，辅助发动机工作，弥补了汽油机启动加速差的缺陷，充分发挥了电动机低速大转矩作用。一旦达到续行速度，电动机停止工作，汽油机成为唯一动力。i n s i g h t 发动机功率5 2 k w ( 6 0 0 0 r m i n ) ，转矩9 1 n m ( 4 6 0 0 r r a i n ) 。引入 m a 后，可在峰值转速时多输出8 k w 功率。1 3 4 混合动力系统工作特点阳”1混合动力汽车所具备的优点主要表现在以下几个方面：第一章绪论1 ) 与同类发动机车型相比，排放降低。2 ) 出于以电动机作为辅助动力，使发动机能够在发挥良好效率的工况下工作，并且通过回收制动能量，提高了整车的燃料经济性。3 ) 通过减小发动机负荷降低了噪声。4 ) 只需改造目前的加油站，不必重新投资建设新的燃料供应站。串联式结构优点为：1 ) 发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果，排放亦低，减少了污染：2 ) 安装了发动机一发电机组，源源不断地将电能输送给牵引电机，与电动汽车相比行驶里程有显著的提高；3 1 控制系统的功能、结构比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止。其缺点为：1 ) 由于能量传递需要两个转换( 机械能一电能一机械能) ，增加了中间环节，所以其总体效率较低；2 ) 多一台发电机，使得动力系统的总体质量较大。并联式结构优点为：1 ) 发动机可以单独驱动汽车，发动机发出的机械能可以直接传副驱动桥，所以效率提高，能量损失降低，燃油消耗较低；2 )在较大功率要求的场合，两套系统可以同时驱动汽车，出电机提供额外功率，发动机工作于理想工况区域：3 ) 采用电动发电机可以空载发电。及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程。4 ) 两套系统都可以单独工作，因而系统整体可靠性较高。其缺点为：1 ) 由于安装两套动力系统，整个传动系统的质量较大；2 ) 系统结构复杂，对控制单元要求高，因而成本昂贵。1 3 5 混合动力汽车需要解决的问题和关键技术混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面：“1 ) 由于车况的改变，电池必须经受不同电流的充放电循环作用，要求电池不但应具备较高的能量密度，而且要求较高的功率密度及充放电效率和较长的使用寿命。能量存储装置要具有较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡对对大功率的需要；2 ) 动力分配装置和能量管理系统的研究，这两项总成是各种运行状态的控制管理枢钮，技术难度大，加工精度高。混合动力汽车发动机频繁起动、关闭，使驱动系统和附件的电能管理变得复杂，因此需要先进的检测和控制第一章绪论系统；现有的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时，需要提高转化效率，同时还要满足严格的排放标准。3 ) 建立先进的驱动系统数学模型，在此基础上进行计算机仿真和分析。4 ) 混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。所以必须在减轻质量、减小尺寸和降低制造成本上多做工作。具体来讲，要进行下面几项关键技术的研究：1 1 能量存储技术蓄电池的开发和充放电特性是混合动力电动汽车研究的关键。由于电池的作用是储存、输出尽可能多的电能，提高汽车的续驶里程。因此对混合动力电动汽车用电池要求的不仅仅是高能量密度，同时还要求高功率。现在，镍氢电池和锂离子电池已成为混合动力汽车的使用的首选。镍氢电池已广泛地应用于电动汽车、计算机、医疗器械以及其它领域。该电池技术的关键是，其能够储存氢的合金应该是种能够稳定地经受无数次循环反复使用的材科。镍氢电池容量大，可以循环使用，但主要缺陷是成本高，效率低，同时还需要控制氢的损失。离子电池电压高，能量密度高，有更高的功率，且充电时间短。预计在2 0 0 6 - - 2 0 1 2 年期间，当锂离子电池进一步发展，其市场份额将会逐步扩大。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面：是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命，进行电池充放电动态特性的研究，。二是研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构。三是电池的热能管理及剩余电量管理。2 1 混合动力单元技术在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。在并联混合动力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分功能，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机：在串联混合动力汽车上，混合动力单元驱动一台发电机产生电能，由于汽车的行使与发动机没有直接的联系，因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于较小的高功率区。当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。其在燃料的使用方面也出现了很大的变化，除了柴汽油外，还有天然气、液化气和第一章绪论酒精等代用燃料。提高混合动力单元的燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求。对于汽油机采用电喽技术、增压技术、可变定时进气系统、多气i - j 技术咀及稀薄燃烧技术等是必然的要求。而对柴油机应采用多气门技术、电控技术、增压技术、可变定时进气技术、可变涡流进气技术、直喷技术及新的喷油技术等。混合动力汽车的主要目标就是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。目前对混合动力单元的研究主要集中于：是燃烧系统的优化，通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程发现形成氮氧化物的机理，从而改进燃烧系统：二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统；三是代用燃料的研究。3 ) 控制策略技术h e v 产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控制策略。h e v 根据开发目的、使用环境及价格水平的不同，可选择采用串联或并联型式，其动力混合的轻重程度也不同，因而控制策略也就各具特色。国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。混合动力系统的精确运转依赖于优化控制的实现，控制系统的开发是混合动力系统的最关键的技术创新。控制系统的功能首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的要求输出功率：计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值，即实现内燃机与电动机的最优功率分配比；然后，根据功率分配比，需有驱动电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。同时，驱动执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器设计中，功率分配装置的设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。因此，混合动力系统的开发不仅在于电子技术、计算理论与算法和软件技术，而且在执行部件的设计与制造等方面都是难度较大的工作。1 4 内燃机曲轴轴系振动分析研究的现状m 1f q 燃机的振动关系到它的寿命、工作效- 率；f n x c n 围环境的影响。曲轴系统的振动是引发内燃机振动的重要因索。由于益轴上作用有大小、方向都周期性变化的切向和法向作用力，曲轴轴系将会同时产生弯曲振动和扭转振第一章绪论动。因为内燃机曲轴一般均采用全支承结构，弯曲刚度较大，所以其弯曲振动的自然频率较高。虽然弯曲振动不会在内燃杌工作转速范国内产生共振，但它会引起配套轴系和机体其它部件的振动，是内燃机的主要噪声源。对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较大，故曲轴扭振的频率较低，在内燃机工作转速范围内容易产生共振，如不采取预防措施，轻则弓i 起较大噪声、加剧其它零件的磨损，重则可使曲轴折断。因此，扭转振动是内燃机设计过程中必须考虑的重要因素。近年来，随着对内燃机污染( 尾气、噪声) 、油耗、可靠性、动力性的要求越来越高，已有的传统曲轴轴系振动计算方法也越来越难以适应内燃机设计的需要，对曲轴轴系振动问题的更精确、更全面的研究显得r 益迫切。曲轴轴系的振动研究方法有两种；一是分析计算，二是试验研究。1 4 1 分析计算模型由于曲轴的结构和受力情况都比较复杂，在计算曲轴轴系的振动特性( 振型、固有频率等) 时，一般都要将轴系简化为比较简单的力学模型，以便于求解。从已有的研究看，用作振动计算的曲轴轴系模型可分为两大类：一类是轴系质量经离散化后集总到许多集中点的集总参数模型，另一类是轴系质量沿轴线连续分布的分布参数模型。1 4 1 1 集总参数模型1 1 q轴盘模型是轴系振动计算中最早使用的力学模型，模型将曲轴轴系离散成具有集中转动惯量的圆盘、无质量的弹性轴以及内部阻尼和外部阻尼。其中各圆盘的转动惯量包括曲柄的转动惯量，活塞、连杆的等效转动惯量，传动系统、减振器、飞轮的转动惯量等。集总参数模型的优点是物理概念清晰，使用简单，计算方便。但因该模型过于简化，当需要对曲轴精确计算时，其精度就显得有限。1 4 1 2 分布参数模型在分布参数模型中，轴系的质量沿轴线连续分布，因而比集总参数模型更接近于实际。目前除对曲轴实体直接进行剖分作为有限元计算模型以外，还有框架模型和阶梯轴模型两种分布参数模型。1 4 1 2 1 框架模型b a r g e s 、李惠珍1 2 0 1 等在用有限元法计算曲轴振动时，以圆截面直梁代表主轴颈和曲柄销，以变截面矩形梁代表曲柄臂和配重得到框架模型。o k a m u r a 等1 仍以圆截面梁代表主轴颈、曲柄销，但把曲柄臂和配重处理成简单的矩形梁。框架模型用具有规则形状的连续实体代替曲轴的不同结构部第一章绪论分，并保持了曲轴原有的基本形状，因而用该模型进行曲轴振动分析具有较高的计算精度。1 4 1 ，2 2 阶梯轴模型减少集总参数模型离散化误差的另一种方法是将轴系等效处理成连续的阶梯轴模型。郝志勇【2 2 等在用弹性波传播理论( e l a s t i cw a v ep r o p a g a t i o nt h e o r y ) 求解内燃机曲轴轴系扭振问题时将活塞连杆机构的附加质量分配到两曲柄臂上，而将单位曲拐简化为一组同心的阶梯轴。1 4 2 求解方法1 4 2 1h o fz er 法h 0 1 z e r 法是轴系扭振计算的经典方法。工程上常使用由其基本原理得到的h o l z e r 表格法或7 0 l1e 表格法进行手工计算，也有基于h o z e r 法原理的数值计算方法和相应的计算程序。其基本思想不再详述。这种方法在设计初期用来估算低阶扭振固有频率时较为有效，算法简单、使用方便，在工程实际中被广泛应用。但其高阶计算的精度较低、计算较费时。1 4 2 2传递矩阵法( t r a n s _ j ：e rm a trixm e t h o d ，t m m )t m m 是分析各种振动问题常用的方法，最初由h o l z e r 引入曲轴轴系的振动分析，用来计算轴系无阻尼自由振动时的固有频率。用t m m 进行振动计算的优点是不会因单元的增加而影响传递矩阵的阶次，即矩阵的维数不随系统自由度的增加丽增加，且各阶振型的计算方法完全相同。因而计算简单、编程方便，计算时所需的内存少、耗用机时短，被广泛地应月于曲轴振动问题的分析与研究中睥3 。但这种方法在分析自出度较多的复杂轴系时，由于传递矩阵的误差积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度较低。1 4 2 3 有限元法( f in i t ee 1e m e n tm e t h o d ，f e m )f e j l 4 是根据变分原理来求解数学物理方程的一种数值计算方法，它的基本思想早在2 0 世纪4 0 年代就有人提出。1 9 t 3 年b a g c i 首次将f e m 用于曲轴的动力学分析。由于f e m 对研究对象直接进行离散处理，能较真实地模拟蛆轴的复杂形状，是目前公认的精度最高的计算方法。但和t 艟m 相比，f 酬存在耗时长、占用内存大、编程复杂等缺点。由于以上原因，许多学者从改进有限元模型着手，来提高有限元计算的效率。1 4 ，2 4 模态分析法( m o d e ia n a iy s i5m e t h o d ，m a m )m a m 的基本思想是把复杂的多自由度系统分解为若干个子系统。分析时先求出各子系统的若干低阶模态，再根据相邻予系统间的位移协调关系或力第一章绪论平衡关系把各子系统组装成整体运动微分方程组，导出减缩自由度的综合特征值问题。由此求出系统的固有频率、振型和向应。由于凇m 减少了系统的自由度，使得计算所耗机时及内存均比有限元法有显著降低。如果子系统划分合理，其计算精度也是令人满意的雎”。此外，m a m 还可与试验研究相结合，通过实测轴系振动的传递函数 2 6 , 2 7 i ，得到系统振动模态参数( 包括固有频率、振型、阻尼、模态惯量、模态刚度等) 。1 4 2 ，5弹陛波传播法( e 1a s t iow a v epr o p a g a t i o nm e t h o d ，e w p m )n a d o l s k i 、郝志勇等将弹性波传播理论应用于曲轴轴系振动问题的分祈。e w 跗的基本思想是：轴系的扭转振动是由于扭转弹性波( t o r s io n a e l a s t icw a v e ) 沿轴向传播引起的。弹性波以行波形式沿轴线的正向和反向传播，当其中之一经反射或延时后与另一行波相遇，若相位合适，两者将叠加成为驻波，引起扭振。泼方法可以用来分析连续参数分布边界、瞬念边界条件的曲轴轴系的瞬态响应、稳态响应及其它振动特性。由于解题过程中仅需求解线性方程组，因此其计算量较小，是一种精确、快速的振动分析方法。1 4 3 非线性研究曲轴轴系是一个复杂的非线性系统。构造一个能够比较真实地反映实际系统的模型往往需要考虑各种复杂的菲线性因素，如变预量、菲线性部件问题等。1 4 3 1变惯量的影响在目前所有的计算模型中，都采用等效转动惯量( 常量) 来考虑活塞、连杆的惯性。但事实上，发动机曲柄组件的转动惯量为，= ，。1 scos ( 2p ) ( 卜1 )式中：占为变惯量系数，是小于l 的量。由式可看出，曲柄组件的转动惯量是与转角有关的变量。d r a m i n s k y 首先用单缸机模型定性解释了多缸机中变惯量引起的次共振现象。p a s r i c h a 等从变惯量的角度分析了柴油机曲轴断裂的原因。 t a f n e r研究了往复运动部件质量对曲轴扭振的影响。湛见1 l 2 8 1 等对单缸机若干简化模型的求解方法进行了研究，并建立了考虑变惯量情况下的多缸柴油机曲轴扭振的运动方程。1 4 3 2 非线性部件的影响由于具有非线性弹性特性的部件( 如弹性联轴器、减振器、缓冲器等)使用日益广泛，求解该类型装置轴系的非线性振动问题已开始受到人们的关第一章绪论注。平尾斡等研究了由汽车变速箱齿轮齿侧间隙产生的非线性冈i 度对传动轴系扭振特性的影嫡。k o h l i 研究了装有万向联轴节时汽车推进轴系的非线性扭振问题，并介绍了避免有害扭振发生的方法。张志华1 2 9 1 分析了具有分段线性部件( 圆柱弹簧缓冲器) 柴油机轴系的非线性问题，并采用逐步积分法计算了轴系的振动响应。朱孟华【3 0 1 研究了非线性弹性轴系的扭振模型提出用派生响应的概念来解释非线性振动响应的激励。1 4 4 试验研究扭振测量是曲轴振动研究的一项重要内容。与横向振动测量相比，扭振信号的提取和分析都比较困难。扭振测量技术随着传感器技术、电子技术的发展，己从机械式测量、模拟式测量发展到数字化测量，测量的精度也越来越高。14 4 1 机械式测量g e i a e r 扭振仪是一种典型的机械式扭振测量仪器，在扭振研究中应用得最早。这种仪器设计巧妙，从信号获取到信号记录全部由机械装置实现简单实用，在扭振研究中有广泛应用。属于这种类型的扭振仪还有d v l 扭振仪。受记录系统响应带宽的限制，机械式扭振仪的测量范围、精度有限”1 】；此外，所测得的信号不能直接借助现代分析仪器进行分析，因此已逐步被淘汰。1 4 4 2 接触式测量接触式测量是将传感器( 如电感、应变片等) 直接安装在曲轴上，测得的信号通过集流环或以射频方式传送给分析仪器。属于此类测量方法的扭振仪有应变片式扭振仪1 3 2 1 、压电式扭振仪”、电感式扭振仪13 4 1 等。以传感元件为核心的接触式扭振测量因其灵敏度高、频响范围大、测试信号便于记录和分析而被广泛应用于内燃机的振动测试。但是这类测量装置的测振系统本身具有定的转动惯量，；9 1 4 量时不可避免地会对被测系统产生影响。另外这类测量装置的线路复杂，测量精度直接取决于线路的各种参数，且维修困难。1 4 4 3 非接触式测量非接触式扭振测量的测量装置不直接安装在曲轴轴系上，而是利用曲轴上的码盘、齿轮或其它分度结构，通过光电、磁电转换拾取扭振信号。属于此类测量方法的扭振仪有英国e c o n o c r u i s e 公司的t v 一1 扭振仪、美国s h a k e r 公司的v e d 一2 3 3 a 扭振仪、东南大学的n z - - l 3 、n z t 扭振仪”1 等。菲接触式扭振测量的测量精度高，使用简便，反应速度快，仪器本身对轴系振动几乎没有影响。目前已成为扭振测量的主要手段。第一章绪论1 4 4 4 基于多普勒效应的激光测量激光多酱勒测速技术是从流体速度测量提出和发展起来的。 9 7 7 年就有用多普勒激光系统进行扭振测量的报导。丹麦b k 公司推出的2 5 2 3 扭振仪是多普勒激光扭振仅的典型代表啦l 。1 9 9 4 年天津大学葛维晶等1 将激光多普勒测速技术用于内燃机轴系的扭振测量。扭振的激光多普勒测量只需轴上有一段光洁表面就可实现非接触测量，测点选择方便，测量效率高。但由于轴的横向振动和轴截面的形位误差都直接影响到测量精度，因而提高其精度比较困难。1 4 5 曲轴轴系三维振动的研究及发展曲轴的振动本质上是三维形式的振动，随着人们对曲轴振动的认识和要求，不仅扭转振动是人们研究的主要内容之一，弯曲振动、纵向振动也是研究的重要内容。因此开展轴系多维振动的机理与控制方法的研究既有较高的学术价值，又有明确韵工程应用意义。2 0 0 2 年，雷宣扬等人采用梁单元模拟曲轴的三维振动。但模型过于简单，直列四缸机仅用三十多个单元，不能准确模拟曲轴的振动响应。曲轴的载荷也是理想化的激励。2 0 0 2 年，北京理工大学覃文洁采用有限元和多体动力学综合方法，运用有限元程序a n s y s 和a d a m s 结合进行发动机曲轴系的动力学分析。对其平横特性和曲轴的扭振响应进行了分析。但其模型及分析都很简单。1 ，4 5 1 曲轴轴系的扭转振动内燃机曲轴系的扭转振动，是曲轴系在回转过程中，平均扭变量上所叠加的一种扭转振动现象。在较大功率的内燃机装置中，由于轴系的固有频率较低，往往会在内燃机工作转速范围内，由某些较强的激励谐次激发起共振而形成过大的扭转共振现象，从而产生较大的动态扭振附加应力。严重的曲轴系扭转振动将会产生以下后果：1 、曲轴系上的某些轴段和联接件( 如联轴节、减振器、水泵轴、凸轮轴等) ，包括内燃机曲轴本身由于过大的扭振附加应力而发生扭转疲劳破损，以致断裂。2 、较强的轴系捏转振动使内燃桃装置的工作质量变坏，例如用于发电机组中时电压不稳定，调速器工作不稳导致内燃机装置工作不稳，产生游车现象等。3 、有减速齿轮箱的系统由于轴系的扭振使齿轮发生来回冲击形成“齿叫”，严重时导致齿轮的蔽坏及噪声增大。4 、强烈的扭转振动可能破坏内燃机原有的平衡性而引起机组振动，也有第一章绪论可能耦合产生曲轴系的纵向振动，使内燃机装置的推力轴承上受到激励力而引起载体的振动。早期的曲轴振动研究主要采用离散化方法，并将曲轴振动作为纯扭转振动处理。1 9 1 6 年德国工程师盖格尔发明了机械式