發(fā)動機總成動力學(xué)參數(shù)的測量

夏 敏，譚良勇，秦洪躍

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州 545005）

發(fā)動機總成的動力學(xué)參數(shù)，包括發(fā)動機總成質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量和慣性積等共10個獨立參數(shù)。這些參數(shù)能否準(zhǔn)確測量，將直接影響整個發(fā)動機總成隔振懸置系統(tǒng)的設(shè)計分析開發(fā)，是進行理論設(shè)計、仿真分析、虛擬試驗等現(xiàn)代設(shè)計分析方法和手段所需的基本參數(shù)。發(fā)動機總成是由發(fā)動機、離合器、變速器和一些附件組成的復(fù)雜剛體。由于總成的幾何形狀不規(guī)則，重量分布也不均勻，其動力學(xué)參數(shù)不能直接通過理論計算或三維實體數(shù)模的數(shù)值計算得到，而需要通過實驗的方法來進行測定。參數(shù)測量的方法及設(shè)備都有很多，可以采用分體式測量，也可以采用一體式測量。

五菱柳機動力公司現(xiàn)采用的是由北京科技大學(xué)研制的三線扭擺法復(fù)雜剛體動力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)。這套系統(tǒng)操作簡單，是目前精度最高的方法，也是應(yīng)用十分普遍的一種方法。在測量完成后，軟件內(nèi)設(shè)有自動判斷測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，10個參數(shù)都能以報告的形式給出結(jié)果。

1 測量原理

1.1 測量的參數(shù)

發(fā)動機總成所需測量的10項動力學(xué)參數(shù)，分別為：質(zhì)量M，質(zhì)心的坐標(biāo) C(xce，yce ，zce)，轉(zhuǎn)動慣量（JXX，JYY，JZZ），慣性積（JXY，JXZ，JYZ）。

1.2 參數(shù)的測量

質(zhì)量M可以直接通過三線擺試驗臺的傳感器測得。

質(zhì)心坐標(biāo)、慣性距和慣性積，必須通過一些具體操作，測出計算所需的一些具體數(shù)據(jù)，然后輸入軟件計算得出。

托盤擺動周期T是一個關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)，由周期可算出發(fā)動機總成與托盤的總轉(zhuǎn)動慣量，也可計算出發(fā)動機總成的轉(zhuǎn)動慣量，由下列式（1）、式（2）求出。

式中，J總為發(fā)動機總成與托盤的總轉(zhuǎn)動慣量；J盤為托盤的轉(zhuǎn)動慣量；J為發(fā)動機總成的轉(zhuǎn)動慣量；W為發(fā)動機總成與托盤總質(zhì)量；r為吊線到托盤中心的距離；T為托盤擺動周期；L為吊線長度。

設(shè)Cxyz為固定在發(fā)動機總成系統(tǒng)中的參考坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點C為發(fā)動機總成的質(zhì)心，過質(zhì)心平行發(fā)動機曲軸方向指向前端為x軸，對于直列發(fā)動機，其與氣缸中心線所在的中心面垂直，指向發(fā)動機左側(cè)為y軸（從發(fā)動機離合器端往皮帶輪端看），平行于氣缸中心線向上為z軸。設(shè)A為坐標(biāo)系中的任一點，則對過原點C的軸線CA的轉(zhuǎn)動慣量JCA可以通過式（3）求出：

式中，JXX、JYY、JZZ為系統(tǒng)繞參考坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動慣量；

JXY、JXZ、JYZ為系統(tǒng)相對于參考坐標(biāo)軸的質(zhì)量慣性積；

α、β、γ 為CA軸分別與 x、y、z軸的夾角。

由式（3）看出，只要通過試驗得出繞CA軸的轉(zhuǎn)動慣量JCA，并測出與之對應(yīng)的α、β、γ角度值，代入公式可得到一個方程；同理，改變位置角度6次，可得到相應(yīng)的6個類似方程，聯(lián)立形成方程組，解此多元線性方程組，從而得到所求的轉(zhuǎn)動慣量和慣性積。

在同一個位置中，轉(zhuǎn)動慣量JCA可通過式（1）、式（2）求出，至于α、β、γ角度值則要通過測量計算得出。

2 試驗過程

為了更好的說明這套三線扭擺法復(fù)雜剛體動力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)的應(yīng)用，特以公司生產(chǎn)的LJ465Q3-1AE2發(fā)動機總成為例。

2.1 總成質(zhì)量的測量

質(zhì)量的測量較簡單，可通過三線擺試驗臺自帶的稱重傳感器測量。先通過三線擺上的傳感器測出托盤的質(zhì)量，再把發(fā)動機總成放到托盤上測量總質(zhì)量，兩次相減即可得出發(fā)動機總成的質(zhì)量。

2.2 參考點 P1、P2、P3的選擇

參考點的選擇，將直接影響到后續(xù)的距離測量，以及最后所計算的10個動力學(xué)參數(shù)。所以3個參考點應(yīng)該盡可能選定在發(fā)動機的上部；3點相互之間的距離要盡可能遠，最好＞300～500 mm；3個參考點的選著必須有利于接下來的距離測量。

針對以上這些條件，LJ465Q3-1AE2發(fā)動機總成上的3個參考點選擇如圖1、圖2、圖3。

圖1 參考點P1

圖2 參考點P2

圖3 參考點P3

2.3 坐標(biāo)系O xyz及參考點坐標(biāo)

發(fā)動機坐標(biāo)系，是與指定的質(zhì)心坐標(biāo)系平行的坐標(biāo)系。為了得到發(fā)動機總成相對于指定的質(zhì)心坐標(biāo)系的慣量參數(shù)，需要知道參考點P1、P2、P3在發(fā)動機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。參考點P1、P2、P3在發(fā)動機坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)是非常重要的原始數(shù)據(jù)。如果有誤，將會直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果失真。參考點坐標(biāo)如表1。

表1 參考點在發(fā)動機坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)

2.4 參考點之間相互間距的測量和校核

數(shù)據(jù)處理需要輸入?yún)⒖键cP1、P2、P3之間的相互間距，即P1-P2、P1-P3、P2-P3之間的距離。利用卡尺測量參考點之間的間距，并輸入數(shù)據(jù)軟件對其進行校核。校核的內(nèi)容主要包括：相對于指定的發(fā)動機坐標(biāo)系，坐標(biāo)值的正負是否正確；根據(jù)參考點坐標(biāo)值計算的參考點之間的距離是否與測量距離吻合。為了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對參考點的坐標(biāo)值進行校核，是測試過程以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果中非常重要的步驟。校核結(jié)果如表2。

表2 校核結(jié)果

由上表可以看出，測量結(jié)果與數(shù)據(jù)處理軟件計算的結(jié)果誤差非常小，說明之前所給出的參考點坐標(biāo)無誤。

2.5 各位置下的數(shù)據(jù)測量

由上述所知，為計算最終結(jié)果，發(fā)動機總成必須改變角度6次，也即擺成6種不同姿態(tài)。根據(jù)多次測量經(jīng)驗，我們一般測試7種姿態(tài)，以確保測量精度。在每種姿態(tài)下，都必須測量托盤擺動周期，測量參考點P到托盤邊沿參考點Bj（j=1～12）之間的距離。

為了平衡需要，有時需要在托盤上添加配重塊，我們提供的標(biāo)準(zhǔn)配重塊有3種，分別是10 kg、5 kg、2 kg。如有配重塊，則必須把配重塊的個數(shù)及總質(zhì)量輸入軟件。并且配重的質(zhì)心在托盤上的投影設(shè)為P4點。

托盤擺動周期T是很關(guān)鍵的測量數(shù)據(jù)，采用秒表測量，為了確保測量精度，需要測量連續(xù)50個周期的擺動時間，以求平均數(shù)。測量包括配重質(zhì)心在托盤上的投影點P4在內(nèi)的總共4個參考點到托盤邊沿參考點Bj之間的距離，其中每個P點至少需要測量到4個B點之間的距離。

2.6 計算結(jié)果

（1）發(fā)動機總成質(zhì)量。發(fā)動機總成質(zhì)量由測量可得M=123.1 kg。

（2）質(zhì)心位置坐標(biāo)。發(fā)動機總成質(zhì)心C在發(fā)動機坐標(biāo)系下的坐標(biāo) C（xC，yC，zC）如表3。

表3 發(fā)動機總成質(zhì)心坐標(biāo)

（3）轉(zhuǎn)動慣量。發(fā)動機總成相對于坐標(biāo)原點位于發(fā)動機總成質(zhì)心、與發(fā)動機坐標(biāo)系各軸對應(yīng)平行且方向相同的質(zhì)心坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)動慣量及慣性積如表4、表5所示。

表4 轉(zhuǎn)動慣量

表5 慣性積

3 結(jié)束語

由試驗可以看出，三線扭擺法復(fù)雜剛體動力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)操作簡單，精度非常高，測量計算結(jié)果能夠滿足現(xiàn)在發(fā)動機總成設(shè)計需求。至于是否能夠開發(fā)一套更加簡便、精度更高的發(fā)動機總成動力學(xué)參數(shù)測量系統(tǒng)，則需要更進一步的努力。

[1]蔡懷崇，閔 行.材料力學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[2]趙彤航.CA1261汽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)隔振的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2003.