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硕士学位论文内燃一直线发电集成动力系统的结构设计与振动分析 摘要 节约能源与保护环境两大主题是推动着先进能源技术领域发展的动力。在人类 所使用的总能量中有一半l ；乏上的能量是损失在转化与传递过程中的，丽常规车辆中 的能量传递与转换效率实际仅约为z o 左右，提高能量传递与转换效率技术的相关 研究具有重要的理论意义与工程应用价值。本研究课题是内燃一童线发电集成动力系 统( i n t e r n a lc o m b u s t i o nl i n e a rg e n e r a t o ri n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m ，以下简 称i c l g ) 项目的其中觞郝分内容，包括两个方面豹工作( 结构设计和减振设计) ， 研究内容有： 一、通过对i c l g 多种结构类型的对比研究，设计出合理、可行的总布置方案， 对关键零部件进行优化，设计结构系统的三维模型及工程图，并参与原理样枧的研 割。 二、在单缸原理样机的减振设计部分，通过对单缸机活塞组件的运动分析，得 到了单缸机的激励力，应用仿真软件m a t l a b s i 删l i n k 建立单缸原理样机的悬置模 型，分别分析了橡胶悬置和液压悬置的动态响应，通过对两种悬誊仿真数据的对比 研究，由于液压悬置具有低频高阻尼、低刚度，高频低阻尼、高刚度的动态特性， 两种数据对比结果反映出液压悬置比橡胶悬置更优的减振性能。由于橡胶悬置结构 简单、易于褥到，前期试割的单缸机悬置系统采用了橡胶悬置，通过对橡胶悬置系 统的试验研究、实验数据和仿真数据的对比，验证了仿真模型及仿真结果的正确性。 三，在单缸机的基础上，对i c l g 四缸机的减振系统进行了分析，通过对两种不 同排布组合方式的对比，由于对置式四缸机上下二冲程活塞组件的对置运行，抵消 了其部分激励力，其减振效果优于组合方块式四缸概。通过对两种四缸机悬置设计， 建立其悬置系统振动力学模型，同时对两种四缸机悬置系统进行振动特性分析，结 果表明，对置式四缸机对振动衰减优于组合方块式，建议四缸机的研制采用对置的 布置方式，分析结果为将来四缸机的研制提供依据。 关键词：节能与环保能量传递与转换i c l g 动力系统结构设计动态特性 减振设计 a b s t r a c t 硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r et h et w om a j o rt h e m e so f p r o m o t i n ga d v a n c e de n e r g yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i nt h et o t a le n e r g yu s e db ym o r e t h a nh a l fo ft h ee n e r g yi sl o s ti nt h ep r o c e s so ft r a n s f o r m a t i o na n dt r a n s m i s s i o n , a n d c o n v e n t i o n a lv e h i c l e si nt h ee n e r g yt r a n s m i s s i o na n dc o n v e r s i o ne 伍c i e n c yo ft h ea c t u a l o n l ya b o u t2 0p e r c e n t ，i n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n v e r s i o na n dt r a n s f e ro fr e l a t e d t e c h n o l o g ys t u d yo fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dv a l u eo fp r o j e c t s t h ci s s u ei s i n t e r n a lc o m b u s t i o n - - s t r a i g h t 1 i n ep o w e rg e n e r a t i o ni n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m ( i n t e r n a l c o m b u s t i o nl i n e a rg e n e r a t o ri n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m , h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oi c l g l p r o je c t , w h i c hs o m eo ft h ec o n t e n t s ，i n c l u d i n gt w oa r e a so fw o r k ( s t r u c t u r a ld e s i g na n d v i b r a t i o nd e s i g n ) ，t h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： f i r s lf i r s t t h r o u g hav a r i e t yo fs t r u c t u r a lt y p e so fi c l gc o m p a r a t i v es t u d y , d e s i g n ar e a s o n a b l e ，w o r k a b l ep r o g r a mo fg e n e r a la r r a n g e m e n to ft h ek e yc o m p o n e n t st o o p t i m i z et h ed e s i g no fs t r u c t u r a ls y s t e m sa n de n g i n e e r i n gd r a w i n g so ft h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l ，a n dt op a r t i c i p a t ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o t o t y p e s e c o n d ，i nt h es i n g l e c y l i n d e rp r o t o t y p ed e s i g no ft h ed a m p i n go ft h ep i s t o nt h r o u g h t h ec y l i n d e rm a c h i n em o v e m e n tc o m p o n e n t sa n a l y s i s ，s i n g l e c y l i n d e rm a c h i n e sh a v e b e e nd r i v i n gf o r c e s t h ea p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o ns o f t w a r e 队t l a b s i m u l i n kt o e s t a b l i s hs i n g l e - c y l i n d e rp r o t o t y p em o d e lo ft h es u s p e n s i o n , a n a l y s i so ft h er u b b e rm o u n t , r e s p e c t i v e l y , a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fh y d r a u l i cs u s p e n s i o n ，s u s p e n s i o no ft w oo ft h e c o m p a r a t i v es t u d yo fs i m u l a t i o nd a t a , d u et oh i 曲h y d r a u l i cs u s p e n s i o nd a m p i n gw i t h l o w f e q u e n c y l o w - s t i f f n e s s ，h i g h - f r e q u e n c yl o w d a m p i n g ，h i 曲s t i 胁e s so ft h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f ，c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft w ot y p e so fd a t ar e f l e c tt h eh y d r a u l i cm o u n t r u b b e rm o u n tb e t t e rt h a nt h ed a m p i n gp e r f o r m a n c e r u b b e rm o u n ta sar e s u l to fs i m p l e s t r u c t u r e ，e a s yt og e t ，p r e - t r i a lo ft h es i n g l e c y l i n d e rm a c h i n e sar u b b e rm o u n t i n gs y s t e m m o u n t i n g ，r u b b e rm o u n t i n gs y s t e mo ft h ep i l o ts t u d y , t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n d c o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nd a t at ov e r i f yt h es i m u l a t i o nm o d e la n ds i m u l a t i o nr e s u l t s t h i r d , s i n g l e c y l i n d e rm a c h i n e s ，b a s e do nf o u r - c y l i n d e rm a c h i n ei c l gd a m p i n g s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d , t h r o u g ht h ea r r a n g e m e n to ft h et w od i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so f c o n t r a s t , c o m b i n a t i o no fb o x - t y p em a c h i n ew i t hf o u r - c y l i n d e rr e a r - m o u n t e df o u r - c y l i n d e r m a c h i n ec o m p a r i s o n ，b e c a u s eo ft h er e a r - m o u n t e df o u r - c y l i n d e rm a c h i n ec y l i n d e rp i s t o n u pa n dd o w nc o m p o n e n t so ft h eh o m er u n , o i t s e ts o m eo fi t sd r i v i n gf o r c e s ，t h ed a m p i n g e f f e c to ft h ec o m b ob o xi sb e t t e rt h a nf o u r - c y l i n d e rm a c h i n e a n a l y s i so f 血er e s u l t so f f o u r - c y l i n d e rm a c h i n e sf o rt h ef u t u r ep r o v i d et h eb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ,e n e r g yt r a n s f e ra n dc o n v e r s i o n , v i b r a t i o nd e s i g n s t r u c t u r ed e s i g n , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：辍 伊月2 么日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 掣邀璺 硝年易月二钿 硕士学位论文 内燃一直线发电集成动力系统的结构设计与振动分析 1 绪论 1 1 研究的目的与意义 节约能源与保护环境两大主题是推动着先进能源技术领域发展的动力。在人类 所使用的总能量中有一半以上的能量是损失在转化与传递过程中的，而常规车辆中 的能量传递与转换效率实际仅约为2 0 左右，提高能量传递与转换效率技术的相关 研究具有重要的理论意义与工程应用价值。中华人民共和国节约能源法( 2 0 0 5 ) 中第二章第十条提到：“国务院和省、自治区、直辖市人民政府应当根据能源节约与 能源开发并举，把能源节约放在首位的方针，在对能源节约与能源开发进行技术、 经济和环境比较论证的基础上，择优选定能源节约、能源开发投资项目，制定能源 投资计划。 可见国家对节约能源是非常之重视。内燃直线发电集成动力系统 ( i n t e r n a lc o m b u s t i o nl i n e a rg e n e r a t o ri n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m ，以下简称i c l g ) 就 是在这种背景下，得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目的支持( 项目编号： 2 0 0 6 a a 0 5 2 2 3 6 ) 。该系统是一种新型动力装置，基于改善能量的传递与转换效率的 目的，为车辆及其它移动装置提供能耗少、低排放、高效率的动力源。 由于国内外对直线内燃机的研究较少，因此基于内燃直线发动机的悬置系统设 计尚未有成熟的理论及方法。本课题研究主要参照传统发动机悬置设计理论，并结 合内燃直线发电集成动力系统的实际情况在悬置系统的设计上进行新的尝试和探 索，因而具有一定的创新性，并为内燃直线发电集成动力系统悬置的后续设计打下 理论基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 直线发动机的研究现状 近年来，对于应用于车辆等的移动动力装置，在应用广泛的内燃机等不断地通 过技术进步提高其节能环保性能的同时，以燃料电池、混合动力技术以及直线发动 机等为代表的新型动力装置也在迅速发展之中【1 1 。其中一类新型动力装置近年来正 在引起越来越多的关注与研究，这种动力装置被称之为直线发动机( l i n e a re n g i n e ) 或自由活塞式发动机( f r e ep i s t o ne n g i n e ) ，还有被称为自由活塞式直线发电机 ( f r e e - p i s t o nw i t hl i n e a rg e n e r a t o r ) 或自由活塞泵( f r e e p i s t o ne n g i n e dh y d r a u l i c r e c i p r o c a t i n gp u m p ) 。它与常规内燃机的热力循环相似，但取消了曲柄连杆机构而 应用“自由活塞 ，将燃料的化学能通过燃烧膨胀做功直接转化为电能、液压能或直 l 绪论硕士学位论文 线运动的机械能等输出。当然，这类新型动力装置目前还处在其发展的初级阶段， 从它各种不同的名称也可以看到这一点，但已经展现出良好的发展与应用前景。 自由活塞式发动机在国外具有较长的研究历史。采用内燃方式的由由活塞式发 动机源于1 9 世纪2 0 年代，p c s c a r a 【2 】将其应用于空气压缩机并申请了专利。二战期 间，德国人j u n k c r s 设计了一种由活塞式发动机应用于德国海军。由法国s i g m a 公司生产的由活塞式发气机，在固定电站发电机领域服务了几十年。在1 9 5 2 年到 1 9 6 1 年间，由活塞式发动机在汽车应用方面得到了较大的发展，通用和福特公司都 制作了由活塞式发动机原理样机【3 】【4 】。以上的发动机均为带冲压燃烧室的二冲程活 塞对置火花点燃式发动机。这些发动机大都通过产生热气驱动排气涡轮而作为发气 机使用。美国s a n d i a 国家实验室( s n l ) i s 】- 【1 0 】和美国w e s t v i r g i n i a 大学( w v u ) 【n 】 - 是近年来在自由活塞式直线发电机研究领域开展较深入工作，处于研究前沿并取 得较多成果的研究单位，其研究的原理样机基本参数如表1 2 1 ； 表1 2 1 国外原理样机基本参数表 美国s a n d i a 国家实验室从1 9 9 5 年开始进行初始概念研究，延续直到近年来在 美国能源部的支持下与多家著名企业( 包括c a t e r p i l l a r 、m a g n e q u e n c h 、m a g s o f l 、 l o t u se n g i n e e r i n g 等) 合作，对自由活塞式直线发电机开展了较大规模的研究工作。 其研究的重点放在h c c i 燃烧方式和使用多种燃料上，也进行了直线发电机设计计 算等方面的研究。上世纪9 0 年代末，美国w e s tv i r g i n i a 大学的p a r v i zf a m o u r i 教授 也开始研究输出电能的直线发动机，称之为新型直线发电发动机系统( n o v e ll i n e a r a l t e m a t o ra n de n g i n es y s t e m ) 。c s a b at 6 t h - n a g y t l l l 在他的博士学位论文中认为串联 式混合动力电动车提供了一个解决能源与环保问题的具有吸引力的途径，而直线发 动机特别适合于在串联式混合动力电动车中得到应用。文献建立了以研究参数变化 趋势为目的的简化模型，完成了计算机仿真，研制了可实际运行的样机并进行了大 量的试验，该样机为二冲程、二缸对置活塞形式、直喷柴油内燃机。样机的效率最 高达到3 2 ，无负载条件下的最高工作频率为6 0 h z ，样机工作的故障率仍较高。其 原理样机如图1 2 1 。此外，美国的s t a n f o r d 大学、美国m i a m i 大学、挪威理工大 学、澳大利亚p e m p e k s y s t e m s p t y 公司等也对直线发动机展开了一些基础性的研究。 目前研究的这类自由活塞式直线发动机主要应用二冲程内燃机工作原理，而由 2 碗 位论文自燃一直线发电集成动力系统的结构设计与振动分析 于二冲程内燃机节能环保性能显著低于四冲程内燃机，同时还存在由于不着火、循 环波动等不正常燃烧而出现活塞冲撞使系统工作可靠性难以提高的难题n 仆【1 6 1 。通常 采用对置双缸形式来保证每个行程有一个燃烧室处于傲功行程，两个燃烧室互相提 供非做功行程的活塞驱动力，或采用弹簧等机械储能的形式来提供非做功行程的活 塞驱动力，未能给与活塞完全的自由度，内燃机压缩比与膨胀比固定不变，因而也 很难通过调节活塞运动规律来提高内燃机的热力循环效率。 i 黜瓮箩：黧意黜皆篙? i 盥怒絮收警5 “ 图1 21 二冲程火花点燃式直线发动机原理样机 在国内，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室在“8 6 3 ”高技术发展计划项 目以及国家自然科学基金资助项目等的支持下，对自由活塞式液压泵开展了较深入、 系统的研究，特别是在其工作机理分析、样机研制等方面，发表了一批相关的学术 论文旧。据介绍，自由活塞式液压泵被欧洲共同体专家组认为是2 1 世纪有希望 的动力之星，是液压技术发展的主要方向。研究方案为对置二冲程发动机燃烧室与 柱塞式液压泵集成为一体，以液体为工作介质，利用油液的压力能实现动力非剐性 传输。 纵观国内外自由活塞式发动机的发展概况，在应用具有更好节能环保性能的四 冲程内燃机工作原理，采取技术措施通过调节电磁力来控制活塞运动，使内燃机的 热力循环效率更高的活塞运动规律的探索与实现等方面将具有十分重要的意义。 1 2 2 发动机悬置系统的研究现状 以振动理论为基础，进行发动机悬置系统的设计及优化，可以通过正确选择悬 置的安装位置、角度和各向刚度，合理匹配发动机悬置系统的各向固有频率，屉大 限度发挥悬置元件的潜能，是达到减振目的的捷径。因此国内外的学者对发动机悬 1 绪论硕士学位论文 置系统设计及优化进行了深入的研究。 早在1 9 3 9 年，i u i f e 就提出了悬置系统设计的一些基本原则，但是较于熟悉的 六自由度解耦理论和计算方法是在上世纪5 0 年代有h o r i s o n 和h o r o v i t z 完成的，他 们将汽车发动机动力总成和车架视为刚体，将减振橡胶块视为单纯的弹簧，利用发 动机动力总成惯性主轴特性和撞击中心理论阐述了如何调整橡胶悬置的安装位置和 悬置刚度，使发动机动力总成的前后悬置的振动相互独立，然后分别按照单自由度 线性振动系统处理，他们认为系统垂直方向的固有频率与绕曲轴方向的固有频率应 小于发动机怠速时相应扰动频率的三分之，这样可以获得较好的减振效果。这些 较早提出的设计理论对于后人的深入研究有着积极的指导作用 1 9 】。 1 9 6 5 年，美国通用汽车公司的t i m p n e re f 2 0 】通过合理布置发动机悬置元件来 进行发动机动力总成悬置系统解耦设计。他指出通过合理布置悬置元件，使它们的 弹性中心位移发动机动力总成悬置系统的质心处或主惯性轴上，以达到发动机动力 总成悬置系统解耦的目的。 1 9 7 9 年，美国通用汽车公司的s t e p h e nr j o h n s o n t 2 l 】首次将优化技术应用于悬置 系统设计，以合理匹配系统固有频率和实现各个自由度之间的振动解耦为目标函数， 以悬置元件刚度和悬置元件的安装位置为设计变量进行优化计算，结果使系统各平 动自由度之间的振动耦合大于减少，保证了悬置系统第六阶固有频率在期望的范围 内。 1 9 8 2 年，r r a c c a e 2 2 以限制悬置空间、悬置位置、悬置刚度、固有频率和振动 解耦等方面来考虑悬置的减振隔振性能，对传统的f r 式悬置系统进行了全面的总 厶 ；日o 1 9 8 4 年，美国福特汽车公司的e e g e c k 和r d p a t t o n 2 3 】将发动机动力总成悬置 系统与整车系统联系起来一道考虑，统筹兼顾，更加完善了悬置系统的优化设计理 论。 1 9 8 7 年，h h a t a 和h t a n a k a 2 4 】对怠速工况下发动机动力总成悬置系统的振动 进行了深入的研究，指出优化悬置刚度的效果不如优化位置好，因为刚度只能控制 振幅，不能控制相位；车身弯曲共振频率应高于怠速频率，且越大越好；发动机动 力总成悬置系统共振频率应小于1 1 4 倍的怠速频率。 1 9 9 3 年，j o h nb r c t t 2 5 1 提出了一种和传统发动机动力总成悬置系统设计理论不同 的方法一最小响应设计方法。他的方法是以车厢的振动响应最小为设计目标，而 不箱传统的设计方法以合理的汽车发动机动力总成的刚体模态为设计目标。 在国内，发动机动力总成悬置系统的设计也同样受到有关单位和人员的重视， 4 硕士学位论文内燃一直线发电集成动力系统的结构设计与振动分析 一汽技术研究中心、东风汽车公司、清华大学、吉林大学、东南大学等结合我国车 辆的特点，先后从不同角度对发动机动力总成悬置系统优化设计进行了研究，并提 出了自己的设计理论和方法。 上官文斌和蒋学锋【2 6 】以发动机动力总成悬置系统的固有频率为目标函数，提出 了优化设计方法。他们引入了扭轴的概念，并在扭轴坐标系中建立悬置系统的振动 方程，对悬置系统进行优化，其优化参数可直接用于设计。 阎红玉和徐石安【2 7 】应用发动机动力总成悬置系统的能量解耦方法进行发动机 动力总成悬置系统的优化设计。他们根据发动机动力总成悬置系统的能量分布得到 系统的解耦能量指标，并以该能量指标为优化设计目标，以系统的固有频率为约束 条件，应用d s f d 算法( 转动坐标轴直接搜索可行方向法) 进行优化计算。并对某 一轻型货车发动机动力总成悬置系统进行优化计算表明，仅通过调整悬置刚度参数 可提高解耦水平。 孙蓓蓓、张启军、孙庆鸿【2 8 】等提出一种通过对发动机动力总成悬置系统刚度矩 阵解耦而实现系统解耦的新方法。应用该方法对悬置系统进行优化设计，可以实现 发动机动力总成悬置系统沿垂向和绕曲轴方向的振型解耦，以达到控制整车振动的 目的。z 结果表明，其编制的发动机动力总成悬置系统优化设计软件能有效改善汽车 的振动性能，在垂直与绕曲轴方向上的解耦程度高达9 8 、9 6 。 徐石安 2 9 1 根据传递函数分析振动的方法，探讨了发动机模型简化的理论基础、 隔振和解耦的杆系，以及更更适合于计算机寻优的解耦方法。 程序、张建润和王志新【3 0 】应用模态综合理论对整辆汽车做振动分析，建立了2 0 个自由度的整车模型，用实际的路面激励做输入，求出座椅的振动响应，兼顾各子 结构的运动匹配，以座椅加速度响应值最小为目标函数，经过优化计算得到发动机 动力总成悬置系统的最佳参数。并以i v e c o 汽车为例，验证了此设计方法的实际 效果。 温任林、颜景平 3 l i r a 整车系统为背景，提出以汽车驾驶员振动相对能量最小和 发动机动力总成悬置系统各阶振型解耦的多目标优化方法，并根据该方法建立了优 化数学模型，对发动机动力总成悬置系统进行优化。 史文库和林逸【3 2 】以a u d i l 0 0 轿车为研究对象，认为其发动机悬置支承在弹性基 础上。在建模计算分析时，考虑了弹性基础的作用。通过四端参数理论，重点分析 了弹性基础在发动机动力总成悬置系统隔振方面的影响。得到了如下结论：发动机 悬置支承基础的弹性作用是悬置在高频域隔振效果变差的原因。 樊兴华、陈金玉和黄席樾【3 3 】在发动机动力总成悬置系统各种优化设计方法的基 5 1 绪论硕士学位论文 础上，以整车人机系统为背景，提出以人体在垂直方向振动加速度均方根加权值最 小和发动机动力总成悬置系统能量解耦为综合目标的多目标优化模型，对发动机悬 置参数进行了优化设计。他们的计算实例说明，选择合适的发动机悬置参数可以有 效地降低汽车振动，改善汽车乘坐舒适性。 从以上学者的研究中可以看出，许多学者采用解耦的方法来提高悬置系统的减 振性能，这是因为通常发动机动力总成悬置系统的振动是耦合的。另外，通过优化 悬置元件的刚度也是减振设计的基本方法。 1 3 研究的主要内容 本课题的研究内容包括两个方面的工作，一是内燃直线发电集成动力系统的结 构设计，主要是根据系统的仿真数据，通过对各种结构类型的对比研究，设计出合 理、可行的总布置方案，设计结构系统的三维模型及工程图并参与原理样机的研制； 二是针对系统的振动分析，通过对i c l g 单缸发动机振动特性的仿真研究，设计单 缸机的减振系统，并通过实验与仿真的对比验证结论的正确性；对i c l g 四缸发动 机进行振动仿真研究，得到其振动数据，为四缸机的减振系统设计提供依据。 一、通过对i c l g 多种结构类型的对比研究，设计出合理、可行的总布置方案， 对关键零部件进行优化，设计结构系统的三维模型及工程图，并参与原理样机的研 制。 二、在单缸原理样机的减振设计部分，通过对单缸机活塞组件的运动分析，得 到了单缸机的激励力，应用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 建立单缸原理样机的悬置模 型，由于橡胶悬置结构简单、易于得到，前期试制的单缸机悬置系统采用了橡胶悬 置，分析橡胶悬置的动态响应，并对橡胶悬置系统进行试验研究，以验证仿真模型 及仿真结果的正确性；分析液压悬置的动态响应，对两种悬置仿真数据进行对比研 究，比较两者的优劣，为四缸机的振动分析提供悬置方案。 三，在单缸机的基础上，对i c l g 四缸机的减振系统进行分析，通过对两种不同 排布组合方式的对比，比较四缸机布置方案；建立两种不同布置形式的四缸机悬置 系统振动力学模型，对两种四缸机悬置系统进行振动特性分析，确定四缸机总布置 及悬置系统的方案，为四缸机的研制提供依据。 6 硕士学论i内堪一直线发自集成动力系统的结构设 与振动分析 2i c l g 动力系统总布置设计 2 1i c l g 动力系统 内燃一直线发电集成动力系统( i n t e r n a lc o m b u s t i o nl i n e a rg f m e r a l o ri n t e g r a t e d p o w e rs y s t e m ，以下简称i c l g ) 得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目的支 持( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 5 2 2 3 6 ) 目前已申请国家发明专利。 1 一点火及喷油茅；2 一配气机椅；3 缸体；4 - - 自由话塞i s 叫i 塞运动位置檀捌元件；6 直鳗电机动子；7 一直线电机定于 8 - - 电力控制单元，9 坷逆电能存储驻置1 0 一电控单元 图2 21 内燃直线发电集成动力系统技术方案 “i c l g 动力系统”是一项可实现清洁高效利用能源的关键技术，主要由四冲 程内燃机燃烧室、直线电机、可逆电能存储予系统以及控制子系统等组成i l 】( 如图 2il ) 。燃料的化学能通过燃烧膨胀做功，由活塞直接连接直线电机输出电能至负载 或电能存储于系统，也可在需要时输入电能驱动活塞运动，并通过调节电磁力控制 活塞的运动规律，电能存储元件的应用以及分缸、分组运行的工作模式将保证系统 在具有最优经济性的稳定工况下工作并能在实际应用中实现能量的柔性传输。四冲 程内燃机与直线电机均已是较为成熟的技术，但新的集成动力系统不是相关技术的 简单组合，其重要的技术特征是突出强调这些技术的相互渗透和有机融合，通过创 新与优化使新系统具有应用单一技术无法达到的优良性能。 通过减少能量传递与转换的环节，优化内燃机的热力循环与运转工况，提高机 电能量转换的效率等技术措施，( 从燃料输入到电能输出的) 系统能量转换与传递效 率较常规系统( 例如常规内燃机与发电机的缀合) 将有明显提高同时系统具有高 比功率和可能使用多种不同燃料，因而有望发展成为新一代的节能、环保性能优良 2i c l g 动力系统总$ 置设* 学位论文 同时具有较高性能价格比的车辆动力装置，并可能在其它需要移动电源、便携式电 源的各种场合得到广泛应用。 该项目研究通过制作单缸i c l g 原理样机及附件系统，并进行相关的实验研究 及性能优化等工作。同时，设计原理样机的减振系统，进行振动测试。 2 2 结构类型的对比与选型 2 2 1 结构类型的对比 直线内燃式动力装置结构类型 ( 1 ) 按活塞数量及布置划分，直线内燃式动力装置可分为单活塞式、对置活塞式 和双活塞式三种类型，如图222 所示。 雎口 ( c ) 图2 , 2 2 接话塞数量及布置分类 ( a ) 单活塞式：如) 对置活塞式；( 0 硬活塞式 单活塞式动力装置只有一个动力活塞且只有一个燃烧窒：对置活塞式动力装置 有一个燃烧室且有两个动力活塞：双活塞式动力装置有两个燃烧室且每个燃烧室中 有一个动力活塞。 ( 2 ) 按回程方式分，直线内燃式动力装置可分为弹簧回程式、重力回程式、液 压回程式和电磁力回程式等几种。 弹簧回程式动力装置由刚性弹簧作为回程动力元件，不断地蓄能( 做功行程) 和释放能量( 非做功行程) 实现活塞组件的连续往复运动；重力回程式依靠机体的 重力式可燃混合气压缩燃烧后，对机体做功，机体向上运动，同时活塞产生一向下 作用力，完成一个工作循环如此往复；液压回程式适片4 于液压自由活塞式发动机 动力装置由液压储能器作为回程动力元件，断地蓄能( 做功行程) 和释放能量( 非 礤学位论文 内燃一直线发电集成动力系统的结构设计与振动分析 做功行程) 实现活塞组件酊连续往复运动：电磁力回程式适用于自由活塞式直线发 电机系统，回程时通过输入电能来驱动活塞组件运动，并能通过调节电磁力的大小 来控制活塞的运动规律【圳。 ( 3 ) 按冲程数分类，可分为二冲程和四冲程直线发动机两种 3 5 1 。活塞往复运 动四个单程完成一个工作循环的称为四冲程发动机；活塞往复运动两个单程完成一 个工作循环的称为二冲程发动机。 ( 4 ) 按输出的能量分，直线内燃式动力装置可输出机械能、流体压力能和电能 三种。 本研究课题“内燃- 直线发电集成动力系统”由内燃机燃烧室、直线电机、可逆 电能存储子系统及控制子系统等组成。燃料的化学能通过燃烧膨胀做功，由活塞直 接连接直线电机输出电能至负载或电能存储子系统，也可在需要时输入电能驱动活 塞运动。在活塞的数量和布置方面，可以分为单活塞式、对置活塞式和双活塞式三 种类型。对置括塞式同单活塞式结构相似，在此不作讨论，现就其中的单活塞式和 双活塞式两种作一讨论，结构如图2 23 、图224 所示。 圈2 23 单活塞式直线发动机原理图 田2 2 4 取j 舌塞式直线发动机原理田 双活塞式直线发动机在国外已进行了较为广泛的研究，主要应用于二冲程内燃 机工作原理，采用双缸对置形式来保证每个行程有一个燃烧室处于做功行程，两个 燃烧室互相提供非做功行程的活塞驱动力。对于单活塞式直线发动机而言，非做功 行程的活塞驱动力通过一套机械系统( 如弹簧系统) 或直接通过调节直线电机的电 磁力来提供。 对于应用四冲程内燃机工作原理的直线发动机而言，采用单活塞式直线发动机 原理更于合理。首先，单活塞式发动机活塞的运动不受另一活塞的约束，活塞运动 具有比双活塞式更太的自由度：单活塞式发动机结构简单，易于制造，且能够利于 9 2i c l g 动力系统总布置设硬十学位论文 分缸分组独立运行，更利于装置效率的提高：单活塞式发动机体积小，易于集成布 置，为以后的产品市场化打下基础。 基于上面的讨论，该课题选用单活塞式原理进行样机的研制，应用四冲程内燃 机工作原理，通过调节直线电机的电磁力来控制活塞的运动规律。 2 2 2 结构的集成设计 常规的单活塞式或双活塞式直线发动机均采用分体式的结构设计，即发动机和 直线电机两部分是独立的，通过一长连杆将发动机活塞和直线电机动子部分相连。 这种结构的优点是便于拆卸和更换，当其中一个发生故障或损坏时，只需更换损坏 的部件即可，另一部件乃可用。然而，这种结构增加了运动组件的质量，而运动组 件的质量对系统效率及性能的影响极大；同时，这种结构造成发动机长度较长，不 利于集成和布置。 为解决分体式结构所带来的运动组件质量大和系统长度长等问题，我们通过集 成与优化采用了一种嵌套式的结构方案，如图2 3 2 所示。 由图2 1l 可以看出，发动机二冲程置于直线电机的芯部，将发动机与直线电机 集成为一整体，连杆长度缩短，运动组件的质量减小。研究表明，在高功率密度的 要求下，直线电机的长度直径比存在最佳值，嵌套结构在内部布置发动机燃烧室的 结构正好能充分利用直线电机内部空间。 2 2 3 安装方式的分析与选择 对于对置活塞式和双活塞式直线发动机而言，由于系统长度较长，为便于安装 考虑，往往采用水平横置式的安装方式，如图2 22 中( b ) ( c ) 所示。对于单活塞 式直线发动机，可以采用横置或纵置的安装方式。 圈2 25 横置式单活塞直线发动机结构图 横置式单活塞直线发动机如上图2 25 所示，由于自由活塞组件与二冲程壁和直 线电机内壁间发生摩擦而有摩擦力l 当活塞务i 件质量较大时，这种摩擦力对整机 的性能和效率具有非常明显的影响。 硕士学位论文内燃一直线发电集成动力系统的结构设计与振动分析 对于我们所研制的i c l g 动力系统，通过集成优化，采用嵌套式的结构方式， 为避免由于摩擦力的作用对系统的影响，我们采用纵置的安装方式，如上图2 1 1 所示。纵置式的安装方式能有效消除活塞运动摩擦，有利于多组集成布置，是i c l g 动力系统较优的安装方式。 2 2 4 直线轴承的选择 直线轴承是“内燃直线发电集成动力系统 的重要关键结构部件之一，它支承 和引导直线发动机的运动件( 活塞、连杆、线圈支架及连接件) 沿着直线运动。 常规的直线轴承可分为滚动和滑动两种形式0 s - 【3 9 】。直线运动球轴承是为实现 沿轴做直线运动而设计的一种以钢球做滚动元件，球在绕轴的圆柱形轴承体内的若 干条封闭辊道上作循环运动的直线运动轴承。它能在轴上作轴向直线往复运动，也 能旋转。承载球与轴外圆表面形成凸圆之间的点接触，因而它的承载能力较低。但 轴承与轴间产生相对直线运动时，只需较小的托动力，移动轻便、灵活，精度较高。 它无爬行或振动，能实现平稳低摩擦移动。典型的直线球轴承如图2 2 6 ，它由外 套筒、j 躲持架、钢球以及镶有橡胶密封垫的挡圈构成。 o 图2 2 6 典型的直线球轴承结构图 球在承载区与轴接触，当轴承沿轴作轴向移动时，球在保持架的长圆形封闭滚道内 滚动，由承载区转入空载区，然后继续滚动又转入承载区。直线运动球轴承有三种 结构形式，即闭型、调整型( a j ) 和开口型( o p ) 。闭型轴承的外套筒是连续的， 在大多数情况下，通过选择轴承座的配合、轴的公差和轴承，以调整球组内经与轴 之间的游隙。调整型轴承外套筒和挡圈上有轴向切口，因而具有弹性，允许对球组 内经与轴之间的游隙作机械调整。适用于要求调整游隙的场合，可以方便的获得零 游隙或负游隙。开口型轴承外套和挡圈沿轴向切去一部分，形成扇形切口，以此提 ! ! ! ! ! 垫塑墨垒璺至曼堡兰堡兰兰坚里墨 供其在支承导轨轴上的游隙，适用于长行程轴需多支承座的场合。 滑动式直线轴承又称之为滑动单元，主要由枕块和轴瓦两部分组成。为保证轴 承具有足够的使用寿命，轴瓦常采用具有高耐磨性的黄铜、特氟隆( t e f l o n ) 或陶 瓷等材料制作而成。滑动单元也分为开口和封闭两种娄型，下面是一种陶瓷轴瓦的 滑动单元的实物图。 、 图2 27 一种陶瓷轴瓦滑动单元 对于i c l g 原理样机，直线轴承需要满足三个方面的要求 2 5 b ( 1 ) 能够满足轴 向速度的要求：( 2 ) 能够承受一定的冲击振动；( 3 ) 能够承受一定的非轴向载荷。 对于常规的滚动式直线轴承，具有良好的耐磨性能、较高的尺寸精度和较低的摩擦 系数，然而，大多数的滚动式直线轴承均难以承受较高的轴向线速度和冲击振动， 因为这种极限的情况会导致轴承的复杂部件表面疲劳损坏。本原理样机选用上海中 森工业集团生产的直线轴承系列，型号为l m s l 6 g a u u s k ，该型号的直线轴承能够 满足以上要求型号说明及样品照片如图228 ： 图2 28 直线轴承型号说明及照片 硕士学位论文 内燃一直线发电集成动力系统的结构设计与振动分析 2 3 结构设计 2 3 1 设计原则 ( 1 ) 设计结构的可实现性，易于加工和生产； ( 2 ) 结构部件的通用性，尽量选用现成的部件或利用现有部件改制； ( 3 ) 尽量选用新材料、新工艺，选用刚度强度好、密度小的材料制作自由活塞 组件( f r e ep i s t o na s s e m b l e ，r a ) ，以减轻运动件质量，减少能量损失； ( 4 ) 充分考虑发动机与附件的连接关系，避免产生干涉现象； 2 3 2i c l g 动力系统的特点 ( 1 ) 结构特点：+ 活塞为“自由的一，无曲柄连杆机构的约束； 没有飞轮作用，需要通过调节直线电机的电磁力来控制活塞的运动规律； 结构简单、零件数目少、重量轻。 ( 2 ) 受力及运动特点： 活塞与缸体间无侧向力作用，摩擦力小，从而延长了发动机的寿命； 只有作往复直线运动的活塞组件，发动机的起停相对容易； 压缩比可变，易于使用其它代用燃料，启动性能好； 在死点( d e a dc e n t e r ) 位置时，活塞运动是非对称的，且减速段长于加速段； 与传统曲轴式发动机相比，在最大速度相等的情况下，具有更大的加速度。 ( 3 ) 动力性、经济性及排放特点： 燃料使用范围广，可用其他代用燃料； 效率高； 排放低； 当应用于汽车、叉车、卷扬机等起重运输机械时，刹车制动能、重物的势能 可回收利用，从而可迸一步提高发动机效率。当然i c l g 也存在一些不足。如活塞 是“自由”的，故速度调整更困难；没有飞轮作用，“熄火 ( m i s f i r i n g ) 现象较严重； 对特定燃料而言，为实现高效低排放，对压缩比的精确控制是先决条件，控制系统 更为复杂等等。 2 3 3i c l g 动力系统三维模型 ( 1 ) 发动机部分主要结构参数 2i c l g 自力系统甚靠! 设计 颈学位论立 动力缸内径c y l i n d e r b o r e ) ：6 2 ：0 0 0 2 sm m 自