内燃机式增程器扭转振动的建模与分析
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Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ ａｓ ａ Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｄｅｒ
Ｚｈａｎｇ Ｌｉｊｕｎꎬ Ｋａｎ Ｙｉｒａｎꎬ Ｍｅｎｇ Ｄｅｊｉａｎ ＆ Ｙｕ Ｚｈｕｏｐｉｎｇ
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｉｅｓꎬ Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４
的曲拐、自由端和飞轮作为集中惯量ꎬ把惯量小且分 散的主轴颈作为无惯量的弹性元件ꎬ忽略轴系纵向、 横向振动和整机振动对扭转振动的影响ꎬ假定激励 转矩和内外部阻尼只作用在或通过等效的方法作用 在集中惯量上ꎮ 据此建立发动机扭转振动模型ꎬ如 图 ４ 所示ꎬ得到系统扭转振动微分方程:
图 １ 内燃机式增程器扭转振动模型架构
据此ꎬ本文中针对某存在较明显扭转振动噪声 的商用车增程器ꎬ建立包括发动机、离合器和扭转减 振器、发电机和控制系统模型在内的增程器扭转振
∗ 国家重点研发计划课题(２０１８ＹＦＢ０１０４８０３) 资助ꎮ 原稿收到日期为 ２０１８ 年 ７ 月 １９ 日ꎬ修改稿收到日期为 ２０１８ 年 ８ 月 １４ 日ꎮ 通信作者:孟德建ꎬ博士ꎬ助理教授ꎬ硕士生导师ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｍｅｎｇｄｅｊｉａｎ＠ ｔｏｎｇｊｉ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
[ Ａｂｓｔｒａｃｔ] Ａ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅꎬ ｃｌｕｔｃｈꎬ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｄａｍｐｅｒꎬ ｇｅｎｅｒａ￣ ｔｏｒ ａｎｄ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｏｆ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍꎬ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍｅ￣ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ￣ｄｏｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｓｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ ｓｏｍｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｔｙｐｅ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒꎻ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎꎻ ｔｙｐｉｃａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉ￣ ｔｉｏｎｓꎻ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
前言
增程式电动汽车作为一种纯电动汽车ꎬ因其在 技术、成本、续驶里程和相对传统汽车在节能环保方 面的明显优势ꎬ被认为是新能源汽车取代传统汽车 过渡期的最佳选择之一[１－２] ꎮ 内燃机式增程器主要 由发动机和发电机组成ꎬ是增程式电动汽车的核心 关键部件ꎬ增程器的扭转振动对其轴系和连接部件 的寿命、振动噪声和工作效率ꎬ以至乘坐舒适性[３－４] 有着重要影响ꎬ因此增程器扭转振动特性的研究具 有重要意义ꎮ
������１ １０２������
汽 车 工 程
２０１８ 年( 第 ４０ 卷) 第 ９ 期
动模型ꎬ在典型工况下对模型的工作状态、激励转矩 和扭转振动特性进行分析ꎬ得出典型工况各个阶段 引起系统扭Leabharlann Baidu的主要因素ꎮ
１ 扭转振动动力学模型
１������ １ 模型架构与简化方法 内燃机式增程器主要包括发动机、离合器、扭转
目前国内外学者对内燃机式增程器的研究主要
集中在布局与结构设计[５] 、基于动力性与经济性的 参数匹配[６] 和整机振动特性与噪声的研究[７] ꎬ而对 增程器扭转振动的研究甚少ꎮ 王配分析了在发动机 扭振激励作用下ꎬ联轴器花键间隙对增程器传动轴 扭振的影响[８] ꎻ杨守平等研究了柴油机轴系扭转振 动特性ꎬ对比了发动机不同工作方案下的扭转振动 角位移幅值[９] ꎮ 但前期学者对增程器扭转振动的研 究主要是分析发动机激振转矩对增程器扭转振动影 响ꎬ并未考虑发电机电磁转矩波动对增程器扭振的 影响ꎮ
[摘要] 为某商用车增程器建立了包括发动机、离合器、扭转减振器、发电机和增程器控制系统在内的增程器 扭转振动模型ꎬ重点分析了典型工况下系统的响应状态、激励转矩和扭转振动的时域和频域特性ꎮ 结果表明ꎬ增程 器的扭转振动主要与发动机和发电机激励转矩波动与突变ꎬ以及部分工况下的共振有关ꎮ
关键词:内燃机式增程器ꎻ扭转振动ꎻ典型工况ꎻ共振
２０１８ 年( 第 ４０ 卷) 第 ９ 期 ｄｏｉ:１０.１９５６２ / ｊ.ｃｈｉｎａｓａｅ.ｑｃｇｃ.２０１８.０９.０１５
汽 车 工 程 Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１８( Ｖｏｌ.４０) Ｎｏ.９
内燃机式增程器扭转振动的建模与分析∗
张立军ꎬ阚毅然ꎬ孟德建ꎬ余卓平
( 同济大学汽车学院ꎬ上海 ２０１８０４)
减振器、 发 电 机 和 增 程 器 控 制 系 统 ５ 个 组 成 部 分[１０] ꎬ其 模 型 架 构 如 图 １ 所 示ꎮ 当 车 辆 电 池 馈 电 时ꎬ控制系统会通过发电机拖动发动机ꎬ然后通过发 动机驱动发电机给动力电池充电或直接通过电机驱 动车辆[１１] ꎮ
１������ ２ 发动机动力学模型 根据工作原理和结构组成[１２] 把惯量大且集中
本文中所分析的某商用车增程器是由四冲程直 列四缸汽油机、离合器、扭转减振器和发电机组成ꎬ 其基本结构形式如图 ２ 所示ꎮ 根据集总参数建模方 法简化原则和基本假设[１２－１３] 建立增程器的扭转动 力学总模型ꎬ如图 ３ 所示ꎮ 下面详细介绍内燃机式 增程器各个子系统模型的具体简化和建立过程ꎮ
Ｚｈａｎｇ Ｌｉｊｕｎꎬ Ｋａｎ Ｙｉｒａｎꎬ Ｍｅｎｇ Ｄｅｊｉａｎ ＆ Ｙｕ Ｚｈｕｏｐｉｎｇ
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｉｅｓꎬ Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４
的曲拐、自由端和飞轮作为集中惯量ꎬ把惯量小且分 散的主轴颈作为无惯量的弹性元件ꎬ忽略轴系纵向、 横向振动和整机振动对扭转振动的影响ꎬ假定激励 转矩和内外部阻尼只作用在或通过等效的方法作用 在集中惯量上ꎮ 据此建立发动机扭转振动模型ꎬ如 图 ４ 所示ꎬ得到系统扭转振动微分方程:
图 １ 内燃机式增程器扭转振动模型架构
据此ꎬ本文中针对某存在较明显扭转振动噪声 的商用车增程器ꎬ建立包括发动机、离合器和扭转减 振器、发电机和控制系统模型在内的增程器扭转振
∗ 国家重点研发计划课题(２０１８ＹＦＢ０１０４８０３) 资助ꎮ 原稿收到日期为 ２０１８ 年 ７ 月 １９ 日ꎬ修改稿收到日期为 ２０１８ 年 ８ 月 １４ 日ꎮ 通信作者:孟德建ꎬ博士ꎬ助理教授ꎬ硕士生导师ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｍｅｎｇｄｅｊｉａｎ＠ ｔｏｎｇｊｉ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
[ Ａｂｓｔｒａｃｔ] Ａ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅꎬ ｃｌｕｔｃｈꎬ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｄａｍｐｅｒꎬ ｇｅｎｅｒａ￣ ｔｏｒ ａｎｄ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｏｆ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍꎬ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍｅ￣ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ￣ｄｏｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｓｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ ｓｏｍｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｔｙｐｅ ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒꎻ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎꎻ ｔｙｐｉｃａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉ￣ ｔｉｏｎｓꎻ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ
前言
增程式电动汽车作为一种纯电动汽车ꎬ因其在 技术、成本、续驶里程和相对传统汽车在节能环保方 面的明显优势ꎬ被认为是新能源汽车取代传统汽车 过渡期的最佳选择之一[１－２] ꎮ 内燃机式增程器主要 由发动机和发电机组成ꎬ是增程式电动汽车的核心 关键部件ꎬ增程器的扭转振动对其轴系和连接部件 的寿命、振动噪声和工作效率ꎬ以至乘坐舒适性[３－４] 有着重要影响ꎬ因此增程器扭转振动特性的研究具 有重要意义ꎮ
������１ １０２������
汽 车 工 程
２０１８ 年( 第 ４０ 卷) 第 ９ 期
动模型ꎬ在典型工况下对模型的工作状态、激励转矩 和扭转振动特性进行分析ꎬ得出典型工况各个阶段 引起系统扭Leabharlann Baidu的主要因素ꎮ
１ 扭转振动动力学模型
１������ １ 模型架构与简化方法 内燃机式增程器主要包括发动机、离合器、扭转
目前国内外学者对内燃机式增程器的研究主要
集中在布局与结构设计[５] 、基于动力性与经济性的 参数匹配[６] 和整机振动特性与噪声的研究[７] ꎬ而对 增程器扭转振动的研究甚少ꎮ 王配分析了在发动机 扭振激励作用下ꎬ联轴器花键间隙对增程器传动轴 扭振的影响[８] ꎻ杨守平等研究了柴油机轴系扭转振 动特性ꎬ对比了发动机不同工作方案下的扭转振动 角位移幅值[９] ꎮ 但前期学者对增程器扭转振动的研 究主要是分析发动机激振转矩对增程器扭转振动影 响ꎬ并未考虑发电机电磁转矩波动对增程器扭振的 影响ꎮ
[摘要] 为某商用车增程器建立了包括发动机、离合器、扭转减振器、发电机和增程器控制系统在内的增程器 扭转振动模型ꎬ重点分析了典型工况下系统的响应状态、激励转矩和扭转振动的时域和频域特性ꎮ 结果表明ꎬ增程 器的扭转振动主要与发动机和发电机激励转矩波动与突变ꎬ以及部分工况下的共振有关ꎮ
关键词:内燃机式增程器ꎻ扭转振动ꎻ典型工况ꎻ共振
２０１８ 年( 第 ４０ 卷) 第 ９ 期 ｄｏｉ:１０.１９５６２ / ｊ.ｃｈｉｎａｓａｅ.ｑｃｇｃ.２０１８.０９.０１５
汽 车 工 程 Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１８( Ｖｏｌ.４０) Ｎｏ.９
内燃机式增程器扭转振动的建模与分析∗
张立军ꎬ阚毅然ꎬ孟德建ꎬ余卓平
( 同济大学汽车学院ꎬ上海 ２０１８０４)
减振器、 发 电 机 和 增 程 器 控 制 系 统 ５ 个 组 成 部 分[１０] ꎬ其 模 型 架 构 如 图 １ 所 示ꎮ 当 车 辆 电 池 馈 电 时ꎬ控制系统会通过发电机拖动发动机ꎬ然后通过发 动机驱动发电机给动力电池充电或直接通过电机驱 动车辆[１１] ꎮ
１������ ２ 发动机动力学模型 根据工作原理和结构组成[１２] 把惯量大且集中
本文中所分析的某商用车增程器是由四冲程直 列四缸汽油机、离合器、扭转减振器和发电机组成ꎬ 其基本结构形式如图 ２ 所示ꎮ 根据集总参数建模方 法简化原则和基本假设[１２－１３] 建立增程器的扭转动 力学总模型ꎬ如图 ３ 所示ꎮ 下面详细介绍内燃机式 增程器各个子系统模型的具体简化和建立过程ꎮ