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内燃机摩擦学设计软件主框架的设计和实现 摘要 随着全球资源的紧缺和环境的恶化，内燃机的燃料经济性和环保性能成为 主导内燃机技术发展的两个主要指标。在内燃机设计中，内燃机的摩擦学设计 是决定其经济和环保性能优劣的一个重要因素。 以摩擦学原理为基础的给定内燃机摩擦学性能分析方法已有很好的研究 成果，如何将这些分析方法快速有效的应用到内燃机的摩擦学设计中，并在设 计中给出合理化建议，这就是本论文工作的出发点。本论文利用人工智能原理 中问题归约的方法，将复杂的内燃机摩擦学问题分解成若干子问题，通过对各 个子问题的解决，并最终完成内燃机系统的摩擦学设计。论文以此为思路构建 了软件的总体框架，在广泛收集内燃机摩擦学设计知识的基础上，建立了以摩 擦学分析和设计为主要功能的内燃机摩擦学设计系统。设计环节引入了专家系 统子系统来完成内燃机相关部件的智能设计；分析环节除利用专家系统外，还 提出了通过利用软件协作技术的方法来引入成熟软件的分析模块，以期得到良 好的分析效果。最后利用m sv i s u a lc + + 软件开发工具和a c c e s s 数据库管理系 统平台，完成了软件主框架的编码工作，并针对内燃机的小端轴承实现了部分 相关功能。 关键词：内燃机，摩擦学，专家系统，智能设计，面向对象技术 t h ed e s i g n & r e a l i z a t i o no ft h es o f t w a r ef r a m e w o r k o fe n g i n et r i b o i o g yd e s i g n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eg l o b a lr e s o u r c es h o r t i n ga n de n v i r o n m e n td e t e r i o r a t i n g ，t h e f u e le c o n o m ya n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nb e c o m et w og o v e r n i n gi n d i c a t o r sf o r i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s d e v e l o p m e n t d u r i n gt h ed e s i g no fi ce n g i n e ，t h e t r i b o l o g i c a ld e s i g np l a yai m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e t w oi n d i c a t o r s t h es t u d yo fe n g i n et r i b o l o g i c a ld e s i g nm e t h o da i m sa tr e d u c i n gm e c h a n i c a l l o s s ，i m p r o v i n ge f f i c i e n c y ，r e d u c i n gf u e ll o s s ，p r e v e n t i n gs e v e r ew e a ra n dp r o l o n g m a c h i n el i f e t i m e ，t h i sk i n do fw o r ki sb a s e do nw e l ld e v e l o p e dl u b r i c a t i o na n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o no fs e v e r a li m p o r t a n tt r i b o - p a i r s ：r i n g s c y l i n d e r , p i s t o n - c y l i n d e r , b e a r i n g sa n dv a l v es y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec o m p l e xe n g i n et r i b o l o g i c a l i s s u e sw e r eb r o k e nd o w ni n t oan u m b e ro fs u b - i s s u e sb yu s i n gt h er e d u c t i o nm e t h o d o fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e s o ，t h eg o a lo fe n g i n es y s t e md e s i g nw i l lb e g i nf r o mt h e s o l u t i o no ft h es u b i s s u e s a c c o r d i n gt ot h i si d e a ，w ec o n s t r u c tt h ef r a m e w o r ko f t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e m ，a n dt a k et h et r i b o l o g i c a la n a l y s i sa n dd e s i g na s t h em a i nf u n c t i o no ft h es o f t w a r e i no r d e rt oc o m p l e t et h ew o r ko fi n t e l l i g e n t d e s i g na n dt h ew o r ko fa n a l y s i sf o re n g i n ec o m p o n e n t s t r i b o l o g i c a lp r o p e r t y , w e i n t e g r a t e de x p e r ts y s t e ma st h es u b s y s t e m i na d d i t i o n ，w es p e c i a l l yc o n s i d e r e dt h e c o l l a b o r a t i o nb e t w e e ns o f t w a r ef o ra n a l y s i sf u n c t i o n f i n a l l y , w eu s em sv i s u a l c + + a ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l ，a n du s ea c c e s sa sd a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ，t oc o m p i l et h ec o d i n gw o r ko ft h es o f t w a r e sf r a m e w o r k i na d d i t i o n ，t a k e t h es m a l le n db e a r i n ga se x a m p l e ，t h es o f t w a r e ss o m ef u n c t i o n sh a v eb e e nr e a l i z e d a n dw o r k e dw e l l k e y w o r d s ：e n g i n e ，t r i b o l o g y ，e x p e r ts y s t e m ，i n t e l l i g e n td e s i g n ，o b j e c t o r i e n t e d d e s i g n 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 插图清单 内燃机能量损耗分部图6 内燃机机械损耗分部图6 内燃机活塞系统构成图8 软件框架结构图1 0 软件工作流程图1 3 软件分析功能模块图1 4 软件设计功能模块图1 4 专家系统一般结构图1 7 专家系统框架结构图1 8 内燃机层次结构划分图2 0 系统工作流程图2 1 “烧瓦 现象规则知识表示层次图2 2 推理机结构图2 3 推理机工作原理图2 5 系统实现总体结构模块图2 8 内燃机u m l 类结构图2 9 系统规则库的e - r 模型图3 4 专家系统知识库操作界面3 5 轴承的运动示意图3 9 软件启动界面4 0 平均流量模型参数输入界面4 1 小端轴承分析运行界面4 2 小端轴承油膜承载曲线4 2 小端轴承压力分布云图4 3 小端轴承相关规则知识4 3 选择分析依据界面4 4 定义优先级界面4 4 l 2 3 4 5 6 7 l 2 一 一 一 一 一 一 一 一 2 2 2 2 2 2 2 3 3 图图图图图图图图图 3 4 5 6 7 l 2 3 4 1 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 3 3 3 3 3 4 4 4 4 5 图图图图图图图图图图 表l 一1 表1 2 表格清单 国内外相关研究汇总表3 f l a r e 分析模型汇总表4 ( 小端轴承) 专家系统结论表2 6 面向对象表示法与传统表示法概念对照2 8 专家系统规则表3 5 l l o 厶 一 一 一 c v u 4 4表表表 符号清单 h 名义油膜厚度，( m ) 赢实际油膜厚度的数学期望，( m ) 矽流体压力，( p a ) t 时间，( s ) 甜轴径旋转的线速度，( m s ) 7 7 润滑剂的粘度，( p a s ) 仃表面粗糙度综合均方根值，( m ) 电，电，压力流量因子 剪切流量因子 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及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 过或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴王些太堂或其他教育机构的学位论 文或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志对于本研究所作的任何贡献在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：芝九恐签字日期：】珂年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金g 巴王些盔堂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阅，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 玉乞、s 签字日期：游j 月r 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲谚卜t 屈 签字日期：口万年箩月，6 日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师刘小君教授致以最真挚的谢意! 并衷 心感谢刘煜教授! 感谢他们对我的细心指导和帮助! 他们在学术上渊博的知识， 敏锐的洞察力，严谨求实的治学态度对我产生了重要影响。在论文从初稿到最 后定稿的过程中，倾注了他们大量的时间和精力。在这里，真心的说一句：你 们辛苦了，感谢你们三年来对我的指导和培养。 其次，我要特别感谢王伟老师，论文能够顺利完成，同他对我的帮助是分 不开的。除了在学术让我敬仰，在生活和做人的准则上更是表现出让我钦佩的 人格魅力，在今后的生活和工作中，这些将会对我产生重要的影响，感谢他这 三年来给我的教诲和帮助。 感谢摩擦所的胡献国老师、俞建卫老师、焦明华老师、解挺老师、尹延国 老师、田明老师等各位老师都给予我很大的帮助。在此，一并向他们表示诚挚 的感谢和敬意! 感谢冯嫦杰、邴雷刚、高东海、李臻等同学在论文工作中给予的帮助，感 谢卢稳厚、张振、李卫荣等同学在学业期间对我学习上和生活上的帮助。 最后我要感谢我的家人，在我求学过程中对我的关怀和支持，使我能够顺 利完成学业。 作者：王光恩 2 0 0 8 年4 月2 2 日 第一章绪论 随着计算机软硬件技术的迅速发展，计算机已日益成为工程设计领域解决 复杂问题必不可少的工具之一。从实际应用的角度来看，工程设计人员希望计 算机不仅能完成各种复杂计算，而且能够辅助进行各种决策工作，即要求计算 机能具有相关知识积累及应用这些知识自动为用户解决问题的能力。这样的计 算机系统与工程设计人员通过友好的人机接口完美匹配无疑是工程领域的一次 重大的革命。然而，由于领域的限制，要让计算机工作者单独完成这样的计算 机系统是困难的，这就需要我们工程设计领域从事软件开发的人员在掌握软件 设计技术的基础上，充分发挥自身对于本专业领域知识熟悉的优势，结合当前 前沿的人工智能及知识工程技术来担负本专业领域应用软件智能化的历史使 命。 本论文就是以此为出发点，通过应用现有的内燃机摩擦学设计知识，来搭 建一个集分析、设计和数据管理为一体的内燃机摩擦学设计平台，为更快、更 有效的内燃机设计提供帮助。 1 1 摩擦学设计的概念 h p e t e rj o s t 博士于1 9 7 5 年提出了摩擦学设计( t r i b o l o g i c a ld e s i g n ) 的 概念】，然而时至今日关于摩擦学设计具体定义的论述还没有见到，但是国内 外学者对摩擦学设计的研究并没有间断。19 8 8 年举行的第十五届里兹一里昂国 际摩擦学学术会议，以摩擦学设计为主题，在会议上美国工程院院士郑绪云再 次强调了摩擦学设计的价值，他将摩擦学设计程序分为两种，即普遍意义的摩 擦学元素设计和摩擦学的机械零件设计，如轴承、凸轮等。 桂长林教授认为【2 】机械零件的摩擦学设计过程是通过调节广义的结构设 计、润滑设计和材料设计来满足工况要求和环境要求的过程。油润滑机械零件 的摩擦学设计基础是润滑理论以及依据该理论的润滑分析、摩擦和磨损计算。 润滑理论的核心是雷诺方程，但是雷诺方程及相应的摩擦与磨损计算模型并不 能提供结构设计、润滑设计和材料设计的直接调节方法和途径。所以，机械的 摩擦学设计作为机械设计类型中的一种，其设计方法只能从广泛适用的设计方 法中去探索。 在全国第一届摩擦学设计学术会议上谢友柏教授作了题为“摩擦学设计的 目标、内容和方法 的大会报告p j 。他指出今日任何机器的设计已经形成一些 独立的摩擦学设计，但主要是机器零件的摩擦学设计。同时，他认为摩擦学设 计应当采用基于规则方法和基于分析方法的结合。国内摩擦学研究人员也有比 较一致的看法，即采用摩擦学分析计算与专家系统相结合的智能设计方法。 随着摩擦学设计方法研究的不断深入，其包含的主要内容有必要得到明 确。文献【2 认为摩擦学设计必须包括以下主要内容和条件： 标的一有明确的工程标的( 基本条件或必须条件) ； 理论一以现有的摩擦学基本理论为设计指导( 充分条件一) ： 方法一依据摩擦学原理建立“标的”与影响因素的函数关系或经验关 系( 充分条件二) ： 判据一建立满足“标的 要求的设计判据( 充分条件三) ； 数据库( 充分条件四) 。 关于上述摩擦学设计的主要内容及条件的详细论述可参见文献 2 】。 1 2 内燃机摩擦学设计的研究现状 摩擦学设计问题在内燃机中得到了突出体现。自18 7 6 年o t t o 发明了第一 台四冲程的内燃汽油机到18 8 6 年b e n z 研制出车用汽油机，人们已经在内燃机 摩擦学领域取得了卓越的成就，不过那时人们完全依靠试验来寻找合适的减摩 耐磨材料和润滑油。18 8 6 年雷诺方程问世以后，轴承、活塞环一缸套、凸轮一 挺杆的润滑分析和摩擦学设计才成为内燃机发展的重要因素之一。 现代摩擦学设计已经成为内燃机设计的重要内容，其研究目标主要是： 降低内燃机的摩擦功耗，提高内燃机的机械效率，降低油耗。 防止严重磨损，保持或延长正常的磨损寿命。 降低机油耗，减少环境污染。 这就促使国内外很多专家学者( 见表1 1 ) 积极探索内燃机摩擦学系统的 运转机理和润滑模型。 在美国，麻省理工的p a t t o n 4 j 针对s i 内燃机建立了摩擦平均有效压力预测 模型( f m e p ) ，他的研究很经典，得到很多同行的引用。后来，s a n d o v a l 5 】基 于现代内燃机的实验数据，进一步考虑了活塞环的张紧力、活塞组件的气压分 布、缸套的粗糙表面等因素，完善了p a t t o n 的模型。 韦恩州立大学的h e n e i n 与美国陆军坦克与自动车辆研究发展与工程中心 ( t a r d e c ) 合作，开发内燃机摩擦评定模型。r e z e k a h e n e i n 【6 1 、t a r a z a h e n e i n 7 】等模型相继被提出，并在单缸柴油机上进行了部分试验验证。这些摩 擦模型相对简单，主要的计算参数是摩擦转矩，适合概念评估。工作的特色之 处在于参照s t r e i b e e k 曲线的形式定义了工作参数( d u t yp a r a m e t e r ) ，用以判别 混合或流体润滑状态，他们还特别考察了内燃机启动状态的摩擦特点和变化。 在日本，h o s h i l 引根据大量的实验数据，提出了评估内燃机部件摩擦的公式。 n i s s a n 汽车公司的h a m a i 9 1 基于流体和混合润滑理论，使用摩擦学方程建立了 内燃机摩擦预测模型。比利时的v e r h a e v e n t l 0 】从构建引擎管理系统的角度讨论 了摩擦转矩的评定软件框架。瑞典国立技术大学的r a k o p o u l o s 1 1 1 2 】在e e c 2 ( e u r o p e a ne c o n o m i cc o m m u n i t y ) 的资助下，利用d a i m l e rc h r y s l e r 提供的数 据和a v l 制造的内燃机，针对瞬态行为建立了摩擦模型。另外，意大利的 a r s i e 【l 引，c i u l l i t l 4 j ，英国的z w e i r i 1 5 j 也提出了类似的内燃机摩擦评定模型。 在中国，张向军、桂长林等【1 6 - 1 7 将符号模型、神经网络模型、基因模型应 用于内燃机摩擦学设计方法的研究，并在基于基因模型的进化设计上提出了结 合专家知识的混合型进化设计法，进而就复杂机械的进化设计提出了分层协调 进化模型和协调机制。她的研究侧重于复杂机械系统的设计综合和优化协调计 算，对内燃机摩擦学的综合设计决策和优化方法有所突破。 戴旭东【l 引在摩擦学三个公理指导下，首次从理论、数值仿真与实验诸方面， 对内燃机缸体一活塞一连杆一曲轴系统中润滑和动力学行为的耦合作用，进行 了全面的、探索性的研究。结合虚拟现实技术，初步实现了缸体一活塞一连杆 一曲轴系统的虚拟样机，提出了一种包含摩擦学行为的机械产品虚拟样机快速 实现方案。 表1 1国内外相关研究汇总表 相关模型国家项目主持承担单位 时间资金资助来源 b i s h o p 美国福特汽车 1 9 6 4 福特汽车 r e z e k a h e n e i n 美国韦恩州立大学1 9 8 4陆军坦克中心 h o s h l日本 富士重工 1 9 8 4 富士重工 p a t t o n 美国麻省理工，斯隆汽车实验室1 9 8 9 h a m a l日本 尼桑发动机实验室 1 9 9 l 尼桑汽车 f l a r e 美国通用汽车 1 9 9 2 通用汽车 c i u l l i 意人利比萨大学1 9 9 6国家基金 p e t 美国福特汽车 1 9 9 9 福特汽车 a r s i e意大利萨劳诺( s a l e r n o ) 大学1 9 9 9 m a g n e t im a r e l l i 引擎控制分会 z w e i r i 英国伦敦国王大学1 9 9 9 张向军中国合肥工业大学1 9 9 9中国机械工业部基金 l a b r e u c h e 法国奥尔良大学 2 0 0 0 t a r a z a h e n e i n美国韦恩州立大学2 0 0 0陆军坦克中心 s a n d o v a l 美国麻省理工，斯隆汽车实验室 2 0 0 3 r a k o p o u l o s希腊雅典国立技术大学2 0 0 4e e c & d ai m le rc h r y sle r v e r h a e v e n比利时 福莱蒙技术研究院( v i t o ) 2 0 0 5 随着内燃机摩擦学研究的不断发展，以及各种内燃机摩擦学模型的不断成 熟和完善，为摩擦学设计理论向相关内燃机辅助设计软中的集成提供了理论基 础。内燃机摩擦学设计方面的软件并不多见，比较著名的两款软件是福特公司 的p e t t l 9 j 和通用公司f l a r e 2 5 - 2 6 】： p e t ( p o w e r t r a i ne n g i n e e r i n gt 0 0 1 ) 由福特动力系和车辆研究实验室开发， 这是一款基于x m o t i f 接口的动力系计算机模型。它可以通过对引擎性能和 动力系部件形状参数的快速运算，针对概念设计阶段的假定方案给出系统性评 估。另外，p e t 还能够根据既定设计要求，如：引擎扭矩、动能、几何约束等， 快速计算出动力系部件的几何尺寸。 它主要由两个模块组成，第一个模块是数学模块，该模块通过应用集成的 设计规则，动态组织实体模型和基于序列二次规划的参数优化器，来完成重要 部件的几何尺寸计算。只要加载了一个部件的参数，与部件相关的设计规则都 会很容易的加载到运算系统。第二个模块是一个c a d 包，它可以将第一个模 块产生的部件几何尺寸与系统的参数化实体模型结合在一起，通过部件重要尺 寸与参数化实体模型数据库中数据的协同调整，将产生单个部件的实体模型。 同时，其还能短时间内完成系统部件的装配工作。 p e t 中的摩擦模型是基于i n b i s h o p 2 0 】的工作而发展过来的，并结合典 型的福特引擎数据来评估引擎系统的机械摩擦。 f l a r e 是一款包含所有内燃机部件润滑分析为一体的集成软件包，并在 分析中结合了内燃机动力学和运动学，通过前处理器和后处理器结合，友好的 统一了输入输出。通过菜单驱动前处理器辅助用户完成核对、修改等准备工作， 并启动程序执行过程。其中一个模块为分析管理模块，它是软件的神经中枢， 负责将用户输入提交给分析程序和启动合适的分析模块。最后，由后处理器完 成分析结果的图形显示工作。 f l a r e 为轴承、活塞裙、活塞环和配气机构设计三个级别的分析，级别 越高，分析结果越全面，相应需输入的参数也越多，运算时间也越长。一般来 说，第一级别适合于概念设计，第二级别适合于初始设计，第三级别适合于精 确设计和解决设计中出现的问题。不同部件不同层次分析时所使用的计算模型 如表1 2 所示。 表i 一2f l a r e 分析模型汇总表 b e a r i n g s k i r t r i n g s v a i v et r a i n l e v e llm o b iii t y ( d e b a )c u r v ef it ( s k i r t y ) s i m p l e i x i s y m m e t r i c g e n e r i cm o d e1 l e v e l2 r i g i df e m ( f e j o b ) r i g i df e m ( f e j o b )r i n g p a c kf i x i s y m m e t r i c l u m p e dp a r a m t e r l e v e i3e l a s t i cf e m ( d e h d )e l a s ti cf e m ( d e h d )n o ta v a i1 a b l e s p r i n gd y n a m i c s 1 3 课题来源 本课题来源于合肥工业大学创新群体资助项目“摩擦学及摩擦学设计。 1 4 本论文的主要内容 本论文的主要内容和基本结构主要包括以下几个方面： 第一章绪论部分，主要针对摩擦学设计的特点以及内燃机摩擦学设计所 要注意问题的几个方面分别进行了简要说明，并针对国内外关于内燃机的摩擦 4 学设计的研究现状进行了概述。在最后说明了本课题的来源。 第二章论述了该系统平台的总体框架的设计。首先说明了该软件应用对 象，即内燃机的主要摩擦学部件，并对这些摩擦学部件在实际工程所造成的影 响以及所造成的经济损失给予了简要说明。本章最后提出了该系统平台的工作 框架图，以及其工作的原理。 第三章讨论了智能设计在该系统平台中的应用。该平台在设计时引入了 专家系统，以提高该平台的智能设计水平。并针对引入专家系统的几个关键问 题进行了简单说明。 第四章讨论了该摩擦学设计软件框架的实现。本章主要对在实现过程中 所应的几个关键技术作了阐述，为体现本工作的完整性，本论文初步实现了部 分数学模型的集成。 第五、六章演示了本软件框架的工作过程和对本软件框架中存在的不足 进行阐述，并提出了该工作下一步的任务重点。 5 第二章内燃机摩擦学设计软件的主框架设计 2 1 内燃机的主要摩擦学问题及其分析方法 内燃机是一个复杂的摩擦学系统，有很多个部件的设计需要运用摩擦学方 面的知识。尽管人们已经在内燃机的摩擦学方面取得了许多成就，但是随着经 济的发展，内燃机的摩擦学问题受到更多关注，需要得到更好的解决。国内内 燃机技术发展与国外还存在一定差距，在追赶差距的过程中，内燃机摩擦学问 题的解决必不可少。 据有关报告称【2 ，一台近代汽车发动机的热效率约为3 9 5 ，机械效率约 为6 5 8 ，即有效输出功仅为气缸工质热量的2 5 左右( 如图2 1 ) ，其余部分 大多以热的形式散失。鉴于此，世界范围内的内燃机工作者曾一直在不断的探 索提高内燃机热效率的理论和技术措施，不过后来发现内燃机热效率的提高是 有限度的，继而人们纷纷开始将目光转向提高内燃机机械效率的研究上来。根 据c m t a y l o r 的研究表明机械损耗降低1 0 可节省燃料1 5 ，由此可见通过 提高机械效率来提高内燃机效率仍有很大的发展潜力。 图2 2内燃机机械损耗分部图 内燃机的机械损失主要集中在：做往复运动的活塞环一缸套、活塞裙一缸 6 套、挺杆、挺杆套、活塞销；做旋转运动的曲柄主轴承、连杆大头轴承、气门 凸轮等摩擦副之间。可将它们分成三个体系，即活塞系统、轴承和配气机构， 这三个体系的摩擦损耗占内燃机总机械损耗的8 0 ( 如图2 2 ) 。其余的2 0 被 附属设施消耗掉，如冷却泵、喷射泵等。 本论文所论述的内燃机主要摩擦学问题，即软件分析和设计的对象主要包 括：缸套一活塞一活塞环、主轴承和连杆轴承和配气机构( 如图2 3 ) ，现分别 就其摩擦学设计特点介绍如下： 缸套一活塞一活塞环：在内燃机工作的过程中，形成了缸套一活塞裙和缸 套一活塞环摩擦副，它们的摩擦功耗占整个内燃机机械损失的4 5 左右。在活 塞的运动过程中，缸套一活塞裙和缸套一活塞环之间的摩擦学行为是相互影响 的，活塞群与缸套间的流体润滑作用会影响活塞系统的二阶运动，活塞系统的 二阶运动又会影响到缸套和活塞环的润滑特性和摩擦力，反过来又会影响到活 塞系统的二阶运动。由此可见，缸套、活塞和活塞环构成了一个系统，所以对 活塞系统进行分析是应该采用系统观点，考虑缸套一活塞裙和缸套一活塞环之 间的耦合关系。 目前，针对缸套一活塞环这对摩擦副的分析研究主要是以流体动压润滑理 论为基础，综合考虑表面粗糙度、贫油、充油入口供油边界条件和油膜出口边 界条件，实现活塞环的漏气、瞬时摩擦力、油膜摩擦力和润滑油消耗机理等之 间的耦合，从而提出活塞环与缸套的系统分析方法，利用计算机软件技术对其 进行工具化和可视化分析。 主轴承和连杆轴承：包括曲轴轴承、连杆大端轴承和连杆小端轴承，它们 的工作条件十分恶劣。在内燃机运转中，轴承承受来自连杆组往复惯性力、离 心力和气缸气体压力的综合作用，并作周期变化，平均比压力较大，一般在1 0 m p a 以上。另一方面，它们处于高速摩擦状态，有的可达1 0m s 以上，会产生 大量的热导致润滑油黏度降低，润滑性能变坏，磨损加剧。 关于轴承的摩擦学分析理论已经发展的很成熟，随着计算机应用技术提 高，润滑理论已经在流体动压润滑的动载滑动轴承分析设计中得到应用。结合 h a h n 、h o l l a n d 和b o o k e r 等学者采用有限差分法及一些假设推导的轴心轨迹方 程，并利用一些相关的数学分析方法，能够用于计算轴承承载的油膜压力分布、 最大油膜压力、最小油膜厚度、轴心轨迹、摩擦力等相关摩擦性能参数，且该 润滑状态分析方法较为合理，精度也得到了保证。 配气机构：据统计，配气机构的摩擦功耗约占内燃机总摩擦功耗的1 0 左 右，各零部件的摩擦、磨损问题是配气机构的重要问题。配气机构的换气性能 对内燃机的动力性及燃烧的完善程度影响很大，为降低配气机构的摩擦、磨损， 提高其可靠性和延长使用寿命，需要对其进行摩擦学设计。主要是以摩擦、磨 损和润滑理论为基础，用系统工程的分析方法，通过一系列计算和经验类比分 7 析，预测和排除未来可能发生的故障，并使摩擦功耗降低、磨损率尽可能的小。 凸轮与挺杆座之间的摩擦副是配气机构中最为重要的摩擦副，也是故障的 多发处。目前对该摩擦副的分析主要依据弹性润滑理论，另外计算油膜厚度可 采用比较具有代表性的h o l l a n d 公式。 挺轩 轴 图2 3内燃机活塞系统构成图 2 2 内燃机摩擦学设计的特点和设计思想 内燃机摩擦学设计研究的目的是从摩擦学的角度提高内燃机的经济性能， 提供可供选择的改进设计方案以及方案选定依据。其设计目的和特点决定了他 的设计思想【2 】： ( 1 ) 内燃机摩擦学设计的实践证明，影响一个摩擦系统的因素包括环境、 工况、结构、润滑和材料五大因素，每个因素又包含许多子因素。这些因素有 的可以通过建立模型的方法来研究它的影响，有的只能从试验或经验中来表现 它的影响，所以在设计过程中仍需要大量的背景知识和专家经验，推理和决策 过程，这就决定了内燃机c a d 开发必须走智能化的道路。 ( 2 ) 内燃机摩擦学设计主要立足于内燃机摩擦学性能的分析，方案与参数 的设计与改进，其设计过程可初步描述如下：在内燃机结构、功能的初步设计 之后，先调用各个功能分析模块进行摩擦学性能分析，在此基础上，进行方案 设计。其中方案设计这类任务主要是一个推理过程，适合人工智能技术的应用。 方案设计之后的性能分析和参数设计一般以算法和过程处理为主，适合c a d 8 技术的应用。所以内燃机的摩擦学设计中计算和推理交替进行，结合紧密，不 可单纯分割为c a d 部分和人工智能部分。 ( 3 ) 内燃机摩擦学设计涉及多学科知识，有热问题，流体力学问题，动力 学问题，各学科有各自的概念结构和基础知识，有其特有的专家经验知识，有 其特有的设计约束和设计目标，所以必须进行多学科知识来源的集成，多专家 意见的集成，多设计约束和目标的集成。 ( 4 ) 内燃机摩擦学涉及的设计工具广泛，如数据库技术、各种数值分析技 术、c a d 技术，知识工程技术和软件技术等。 2 3 内燃机摩擦学设计软件的需求分析 在内燃机摩擦学设计软件中将c a d 技术和人工智能技术结合起来，集成 相关各学科的知识背景及各专家的设计经验，充分利用现代成熟软件的分析、 仿真和优化的二次开发与集成，将该软件拓展成智能化的集成c a d 系统，使 计算机能够以一定的领域专家水平有效的参与设计任务，即参与设计任务，承 担设计任务规划、方案设计、性能分析、综合评价、方案决策、图形处理等设 计全过程，将是一种切实有效的设计方法。 国外关于内燃机摩擦学设计类软件的研究起步较早，并涌现出几种比较著 名的软件( 如p e t 、f l a r e 等) ；在国内，虽然有专家和学者从事相关方面的 研究，但是将研究成果在内燃机设计类软件中进行体现和集成的研究并不多见。 本文所论述的内燃机摩擦学设计软件从摩擦学的角度，借助润滑理论、运 动学理论及动力学理论，考虑内燃机的摩擦。专注于内燃机摩擦学分析和设计， 以内燃机各部件摩擦学分析为主，以多部件的耦合分析为辅，以内燃机各部件 的设计参数优化为目标。将传统c a d 技术和人工智能结合，充分利用设计过 程中有关设计对象的理论和有关设计知识的理论，结合内燃机设计的各种知识， 各种工具，充分发挥人类思维的决策优势和计算机的数值计算优势，以期达到 设计领域的人机完美结合。 该内燃机摩擦学设计软件面向内燃机设计工作者和该软件的日常维护人 员，内燃机设计工作者是该软件的主要使用者，他们通过软件提供的分析和设 计功能来完成设计对象的参数分析和再设计过程。软件的日常维护人员包括内 燃机工程师、内燃机设计专家等，主要负责数据库的维护和丰富。该软件的功 能如下： 分析功能： 能够根据输入的内燃机相关部件参数完成单个部件的摩擦性能分析； 能够完成一定程度的多部件耦合摩擦性能分析； 内燃机总体摩擦性能评估。 9 设计功能： 能够根据领域专家知识完成设计参数的再设计，并达到较好的摩擦性能； 给出摩擦学设计领域专家意见。 数据库系统管理功能：为软件使用者与维护者提供对数据库的查找、增加、删 除等功能。 2 4 内燃机摩擦学设计软件的主体架构设计 2 4 1 主体框架的结构设计 图2 4软件框架结构图 内燃机的摩擦学设计是“设计一评价一再设计 的不断创新过程，其设计 活动可分为两类工作，一是基于数学模型和数值计算的计算型工作，二是为提 高摩擦性能而进行的优化设计工作。如何将这两方面的工作有机的结合并集成 到一个系统平台下是本论文的主要工作。为此，本文设计了以内燃机摩擦学设 计结构为核心的内燃机摩擦学设计软件框架，该框架设计利用了现代软件工程 中模块化设计的思想，将其体系分成了多个模块，其中各个模块的组织关系如 下图2 4 所示。 纵观该软件框架的内核部分，可以将其分为：一个核心模块，即内燃机摩 擦学设计结构模块；三个控制模块，包括前处理模块、后处理模块和智能分析 设计控制模块；三个分析设计相关模块，包括分析设计模块、润滑系统设计模 块和工程数据库模块。 1 0 核心模块：内燃机的摩擦学设计结构主要由上节所讨论的主要摩擦学部件 组成。该软件框架的核心框架主要是以内燃机主要摩擦学部件的组织关系为纲 来建立。在核心框架的建立过程中主要考虑三个方面的要求： 符合面向对象技术建模的要求； 在组织结构上要求，能够便于对内燃机单个部件以及多个部件耦合分 析及其再设计； 能较好满足软件体系在扩展性能方面的要求。 控制模块：它是整个系统的神经中枢，前处理模块负责系统的初始化工作； 后处理模块负责对分析设计结果的应用和处理，包括一个存储和可视化操作； 智能分析设计控制模块是控制模块中最重要的模块，它负责各个模块之间的调 度，并防止了内燃机摩擦学设计结构模块与分析设计模块的直接互连而带来的 信息传递复杂度，提升了框架运行的稳健性，其工作效率从一定程度上也得到 提高。 分析设计相关模块：它是整个系统的思维中心，负责内燃机摩擦学分析和 智能设计的主要工作。但三个部分在系统中的作用也不尽相同，对三个部分的 简单介绍如下： ( 1 ) 分析设计模块 从工程自动化的角度看，传统的c a d 技术与人工智能技术的结合是一种 发展趋势，因为传统的c a d 技术完成多是不连续的设计任务，许多的c a d 系 统正在通过引入人工智能技术来解决实际的较完整的设计任务，使其不仅能自 动完成以成熟技术为基础的经常性的进程设计，而且能结合设计专家和c a d 的优势，完成新设计甚至创新设计。 作为人工智能技术走向应用路径之一的专家系统可以存储各种知识，可以 模拟领域专家的思维推理过程，其长处就在于对各种知识的获取、存储和运用。 具有传统的计算能力的c a d 系统结合专家系统知识处理技术以后成为智能 c a d 系统。 本系统以合肥工业大学摩擦学研究所多年从事内燃机摩擦学研究所积累 的知识和经验为基础，在系统框架中融入了专家系统。让专家系统参与内燃机 摩擦学的分析过程，并对分析结果给出建设性设计意见。除此之外，本系统也 拟融合成熟的c a e v p t s c 软件中关于内燃机设计方面的模块，通过对其进行 二次开发等途径对内燃机设计方面的功能加以整合，以提高内燃机摩擦学分析 设计的效率和质量。 ( 2 ) 润滑系统设计 早期关于润滑过滤系统的研究主要采用经验设计和试验相结合的方法，6 0 年代计算机技术开始应用于内燃机的研究和设计【2 2 1 ，从此计算机仿真技术开始 广泛应用于内燃机润滑系统的设计。c u m m i n s 公司提出了用网络解法对润滑 系统进行模拟1 2 3 】；p e r k i n s 公司开发出了通用的系统油路网络模拟程序【2 4 】； 美国j o h nd e e r e 公司发表了将价值工程用于润滑系统设计等方面的报告。 由于润滑过滤系统是一个变载、变速、变温、变阻及自动调节流量分配的 非线性油路网络。网络节点多( 2 5 0 个以上) ，各支路都有各自的液力特性，且 随系统布置不同网络结构特性亦发生变化。要想构成一个通用的、成功的计算 机网络计算程序求解甚为复杂，p e r k i n s 根据多年的研究和分析发现，绝大多 数发动机主油道以后的油路网络组成是“稳定 的，其中油路尺寸和联结方式 与内燃机总体结构设计关系密切，这方面有很多精巧的设计结构和成功的设计 经验甚至规律可循。 在润滑过滤系统中如果将主油道以后的网络用主油道流量特性概括为“不 变 网络，而主油道之前的网络，由于存在如机油泵及安全阀、滤芯阻力及旁 通安全阀、离心滤和冷却喷嘴之截止阀、稳压阀等可变性零部件，网络可有多 种工作状态，故为“可变 网络，是润滑系统设计的主体部分。它关系着系统 布置、系统部件选择及确定、系统工作特性设计。系统部件工作特性的要求与 匹配等润滑系统设计的多种特性主要反映在这部分。系统故障的根源亦大多与 此部分有关。因此根据润滑系统的这些网络特点，当发动机结构设计( 主油道 后的油路网络) 已定时，将发动机主油道以后网络用主油道流量特性概括，在 指定环境温度、水温时，求得发动机转速、油温、油压下各组成流量及运行时 间关系，借此关系分析系统工作匹配状况或对其进行设计，这是一种新的设计 与分析方法【2 1 。 文献 2 通过对大量试验数据进行归纳分析的基础上，建立了润滑过滤系统 部件的专用和通用计算模型，运用外部特性法来实现网络快速求解，并广泛吸 取成熟的专家经验和技术规范，形成一套完整的内燃机润滑过滤系统摩擦学设 计方法，设计准则和可接受性判据，本文在此不作赘述。 ( 3 ) 工程数据库 内燃机的摩擦学设计，涉及领域广泛，需要大量的相关学科的基本概念、 设计知识、经验知识、数值计算等。仅以传统的数据文件方式对海量数据进行 管理很难满足要求，必须借助于成熟的数据库管理系统。对于一个智能辅助设 计软件，软件成熟程度直接体现在相关知识库的完善程度，所以数据库的完善 是软件建设的一个重点工作。 2 4 2 软件工作原理 内燃家摩擦学设计软件系统的工作流程如图2 5 所示。 1 2 图2 5软件工作流程图 该软件采用是“设计一分析一再设计 的常规机械设计思维模式，系统以 分析设计模块为思维中心，以管理控制模块和内燃机设计模块为信息传输网络， 通过前处理程序对来自人机交互界面的指令解释，整理工程数据库管理系统的 参数及界面输入参数，并应用到分析设计过程。在完成上述过程的同时，需要 向内燃机结构模型发送命令请求，调用内燃机摩擦学分析的相关数学模型。分 析设计过程结束后由后处理程序完成相关工作。 2 4 3 软件的功能模块分析 模块化程序设计的思想已经广泛应用于现代软件工程，它将一个系统化整 为零、化繁为简，将程序划分成若干个独立的模块，每个模块完成一个特定功 能，每个模块既是独立的，又是相互联系的，他们共同完成系统指定的各项功 能。这样做不但提高了开发人员的效率，也为维护人员提供了方便。 由上节关于软件需求分析的论述可知，该软件平台的主要设计目的是对内 燃机的主要摩擦学部件进行智能设计。当然，这种设计要以内燃机各个部件的 摩擦学分析为基础。所以概括起来该软件功能需求主要包含两个方面，即内燃 机摩擦学部件的分析工作和相关设计工作，关于该软件功能模块的划分也延续 了这种划分原则。 本节将软件的功能模块划分为两个部分，即分析模块部分和设计模块部 分。分析模块部分包括：活塞环分析模块、活塞裙分析模块、大端轴承分析模 块等9 个模块以及三个耦合分析模块；设计模块部分划分与分析模块部分划分 相同，均按照内燃机的摩擦部件的组成结构进行划分。 控制模块 ll 1 1lli 上上上l l 上i 活 活 大 小主凸 凸 挺 气活 连 配 塞 塞 端端轴轮 轮 杆门塞 杆 气 环 裙 轴 轴承轴 分