一种小型内燃机曲轴系统模拟装置及其模拟方法转让专利
申请号 : CN202110637198.4
文献号 : CN113252352B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 向建华 , 刘健 , 原彦鹏 , 钟乘龙 , 魏满晖
申请人 : 北京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种小型内燃机曲轴系统模拟装置,其特征在于,包括:安装平台、伺服电机(1)、主动曲轴(2)、左连杆(4)、双头气缸(6)、右连杆(7)、从动曲轴(8)及飞轮(11);
所述双头气缸(6)内设有活塞,活塞的两端均设有活塞杆(5),令两个活塞杆(5)分别为主活塞杆和从活塞杆;
整体连接关系如下:所述伺服电机(1)和双头气缸(6)均安装在所述安装平台上;
所述主动曲轴(2)的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上;所述主动曲轴(2)的主轴颈与所述伺服电机(1)的输出轴同轴连接,二者可同步转动;所述主动曲轴(2)的连杆颈与所述左连杆(4)的一端铰接;所述左连杆(4)的另一端与双头气缸(6)的主活塞杆铰接;
所述从动曲轴(8)的主轴颈两端通过轴承和轴承座安装在安装平台上;所述从动曲轴(8)的主轴颈与所述飞轮(11)同轴连接,二者可同步转动;所述从动曲轴(8)的连杆颈与所述右连杆(7)的一端铰接;所述右连杆(7)的另一端与双头气缸(6)的从活塞杆铰接。
2.如权利要求1所述的一种小型内燃机曲轴系统模拟装置,其特征在于,所述主动曲轴(2)的主轴颈两端的轴承采用滚动轴承(3)。
3.如权利要求1或2所述的一种小型内燃机曲轴系统模拟装置,其特征在于,所述从动曲轴(8)的主轴颈两端的轴承采用滑动轴承(9)。
4.如权利要求3所述的一种小型内燃机曲轴系统模拟装置,其特征在于,所述滑动轴承(9)内设有润滑油路,通过润滑油路给滑动轴承(9)供油。
5.基于权利要求1所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法,其特征在于,具体步骤如下:
所述活塞将所述双头气缸(6)的内腔分隔为两个腔体,令主活塞杆所在的腔体为主密封腔,从活塞杆所在的腔体为从密封腔;
令主动曲轴(2)所在侧为左侧,从动曲轴(8)所在侧为右侧;
令所述左连杆(4)位于最左侧,且左连杆(4)与所述主活塞杆共线时,所述主动曲轴(2)的相位为0°;此时,右连杆(7)也位于最左侧,且右连杆(7)也与所述从活塞杆共线,活塞位于左侧的极限位置;
令所述主动曲轴(2)的相位沿顺时针的方向逐渐增大;
令所述左连杆(4)位于最右侧,且左连杆(4)与所述主活塞杆共线时,所述主动曲轴(2)的相位为180°;此时,右连杆(7)也位于最右侧,且右连杆(7)也与所述从活塞杆共线,活塞位于右侧的极限位置;
步骤1,设定伺服电机(1)的信号周期和转速,并向双头气缸(6)的主密封腔内充气,使得所述主密封腔内的压力大于从密封腔内的压力;调整主动曲轴(2)的相位使其小于90°且大于0°后,从零速启动伺服电机(1),所述伺服电机(1)带动所述主动曲轴(2)转动,当主动曲轴(2)转动到的相位为0°的位置后,开始进行内燃机曲轴系统的模拟,此时,伺服电机(1)的输出轴转速为V;
步骤2,模拟单缸机做功扫气冲程:伺服电机(1)从转速V启动后,顺序通过主动曲轴(2)、左连杆(4)、活塞杆(5)、右连杆(7)带动从动曲轴(8)和飞轮(11)同步转动,飞轮(11)储存部分动能;直到主动曲轴(2)的相位为180°时,所述伺服电机(1)停止工作,此时,活塞到达右侧的极限位置;
步骤3,模拟单缸机压缩排气冲程:飞轮(11)作为驱动部件顺序通过从动曲轴(8)、右连杆(7)、活塞杆(5)、左连杆(4)带动主动曲轴(2)和伺服电机(1)的输出轴同步顺时针转动,所述主动曲轴(2)转动180°或540°,直到主动曲轴(2)返回到相位为0°的位置,此时,活塞到达左侧的极限位置,伺服电机(1)的输出轴转速为V’;在此过程中,活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大;
步骤4,重复步骤2和步骤3,若干循环后,进程加速过程与回程减速过程达到平衡,模拟装置内所有部件的速度达到稳定,即所述飞轮(11)的转速处于稳定状态,此时,实现对小型内燃机曲轴系统的二冲程或四冲程的模拟。
6.如权利要求5所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法,其特征在于,在从零速启动伺服电机(1)后,伺服电机(1)顺序通过所述主动曲轴(2)、左连杆(4)推动活塞向右侧移动;进而通过右连杆(7)带动所述飞轮(11)与所述从动曲轴(8)同步转动,飞轮(11)储存部分动能;
直到主动曲轴(2)的相位为180°时,所述伺服电机(1)停止工作,此时,活塞到达右侧的极限位置;飞轮(11)作为驱动部件带动所述从动曲轴(8)继续转动,进而通过右连杆(7)推动活塞向左侧移动,活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大;同时,通过左连杆(4)带动主动曲轴(2)及伺服电机(1)的输出轴继续同步转动,直到主动曲轴(2)返回到相位为
0°的位置,此时,伺服电机(1)的输出轴转速为V,活塞到达左侧的极限位置。
7.如权利要求5或6所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法,其特征在于,当模拟内燃机单缸机的二冲程模式时:设定伺服电机(1)信号周期为:开始模拟二冲程后,伺服电机(1)的输出轴每驱动转动180°后,停止提供驱动转矩,被驱动转动180°后再次提供驱动转矩。
8.如权利要求5或6所述模拟装置的一种小型内燃机曲轴系统模拟方法,其特征在于,当模拟内燃机单缸机的四冲程模式时:设定伺服电机(1)信号周期为:开始模拟四冲程后,伺服电机(1)的输出轴每驱动转动180°后,停止提供驱动转矩,被驱动转动540°后再次提供驱动转矩。
说明书 :
一种小型内燃机曲轴系统模拟装置及其模拟方法
技术领域
背景技术
方法主要基于数值分析软件,输入模型参数、设定边界条件并求解相关参数;其主要缺点是
仿真软件参数设置较为理想,未考虑到部分环境因素、材料特性参数的影响,计算结果与实
际情况有一定的偏差。试验台架测试基于整机或单独系统搭建试验台架,并对曲轴系统进
行测试,测试结果较为准确,但试验周期很长,成本高,测试流程复杂,严重影响了研究进
度。
轴承轴心轨迹测试试验台。该试验台采用实际柴油机的曲轴和轴承构成试验装置主体,并
用电机带动曲轴旋转,从而进行轴心轨迹测试,研究相关特性。但是,由于该试验台采用电
机持续输出的方式带动曲轴旋转,与实际情况下燃气爆发压力与飞轮对曲轴的驱动作用不
符,没有考虑不同冲程下曲轴转速的波动,对轴心轨迹的研究是不准确的,与实际情况有较
大偏差,不满足与实际内燃机曲轴系统的等效性的要求。
发明内容
所述左连杆的一端铰接;所述左连杆的另一端与双头气缸的主活塞杆铰接;
一端铰接;所述右连杆的另一端与双头气缸的从活塞杆铰接。
限位置;
极限位置;
0°后,从零速启动伺服电机,所述伺服电机带动所述主动曲轴转动,当主动曲轴转动到的相
位为0°的位置后,开始进行内燃机曲轴系统的模拟,此时,伺服电机的输出轴转速为V;
的相位为180°时,所述伺服电机停止工作,此时,活塞到达右侧的极限位置;
180°或540°,直到主动曲轴返回到相位为0°的位置,此时,活塞到达左侧的极限位置,伺服
电机的输出轴转速为V’;在此过程中,活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大;
内燃机曲轴系统的二冲程或四冲程的模拟。
分动能;
移动,活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大;同时,通过左连杆带动主动曲轴及伺
服电机的输出轴继续同步转动,直到主动曲轴返回到相位为0°的位置,此时,伺服电机的输
出轴转速为V,活塞到达左侧的极限位置。
再次提供驱动转矩。
后再次提供驱动转矩。
缸的主密封腔内充气,使得所述主密封腔内的压力大于从密封腔内的压力,进而使得活塞
在回程过程中阻力不断增大,能够模拟单缸机压缩排气冲程中的阻力变化,可以更好地满
足等效性;从而使在本发明上进行的曲轴系统研究结果更为准确。
附图说明
具体实施方式
平台上,其中,所述双头气缸6位于所述加载系统和执行系统之间;
腔体为主密封腔,从活塞杆所在的腔体为从密封腔;
连杆颈与所述左连杆4的一端铰接;所述左连杆4的另一端与双头气缸6的主活塞杆铰接;
述右连杆7的一端铰接;所述右连杆7的另一端与双头气缸6的从活塞杆铰接;
的极限位置;
侧的极限位置;
伺服电机1的转速,并向双头气缸6的主密封腔内充气,使得所述主密封腔内的压力大于从
密封腔内的压力;调整主动曲轴2的相位使其小于90°且大于0°,并留出足够的加速角度;
塞向右侧移动;所述右连杆7将所述直线运动转化为从动曲轴8的顺时针转动,进而带动所
述飞轮11与所述从动曲轴8同步转动,飞轮11储存部分动能;
曲轴8继续顺时针转动,进而通过右连杆7推动活塞向左侧移动,同时,通过左连杆4带动主
动曲轴2及伺服电机1的输出轴继续同步顺时针转动;由于所述双头气缸6的主密封腔封闭,
因此,活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大;直到主动曲轴2返回到相位为0°的位
置,完成启动阶段,此时,伺服电机1的输出轴转速为V,活塞到达左侧的极限位置;在此过程
中,主密封腔内的压力能够保证主动曲轴2转动至相位为360°的位置;
针转动,飞轮11储存部分动能;直到主动曲轴2的相位为180°时,所述伺服电机1停止提供驱
动转矩,此时,活塞到达右侧的极限位置,实现单缸机做功扫气冲程的模拟,同时实现了对
模拟装置内所有部件的进程加速;
出轴同步顺时针转动,所述主动曲轴2转动180°,直到主动曲轴2返回到相位为0°的位置,此
时,活塞到达左侧的极限位置,伺服电机1的输出轴转速为V’,实现单缸机压缩排气冲程的
模拟,同时实现了对模拟装置内所有部件的回程减速;在此过程中,活塞在向左侧移动的回
程过程中阻力不断增大,用于模拟单缸机压缩排气冲程中的阻力变化;
实现对小型内燃机曲轴系统的二冲程的模拟,即等效小型内燃机曲轴系统的二冲程的工作
状态;通过调节设定的伺服电机1的转速,可以调节伺服电机1输出转矩,从而调节稳定状态
时从动曲轴8的转速大小,实现多转速模拟。
伺服电机1的转速,并向双头气缸6的主密封腔内充气,使得所述主密封腔内的压力大于从
密封腔内的压力;调整主动曲轴2的相位使其小于90°且大于0°,并留出足够的加速角度;
塞向右侧移动;所述右连杆7将所述直线运动转化为从动曲轴8的顺时针转动,进而带动所
述飞轮11与所述从动曲轴8同步转动,飞轮11储存部分动能;
曲轴8继续顺时针转动,进而通过右连杆7推动活塞向左侧移动,同时,通过左连杆4带动主
动曲轴2及伺服电机1的输出轴继续同步顺时针转动;由于所述双头气缸6的主密封腔封闭,
因此,活塞在向左侧移动的回程过程中阻力不断增大;直到主动曲轴2返回到相位为0°的位
置,完成启动阶段,此时,伺服电机1的输出轴转速为V,活塞到达左侧的极限位置;在此过程
中,主密封腔内的压力能够保证主动曲轴2转动至相位为360°的位置;
针转动,飞轮11储存部分动能;直到主动曲轴2的相位为180°时,所述伺服电机1停止提供驱
动转矩,此时,活塞到达右侧的极限位置,实现单缸机做功扫气冲程的模拟,同时实现了对
模拟装置内所有部件的进程加速;
出轴同步顺时针转动,所述主动曲轴2转动540°,直到主动曲轴2返回到相位为0°的位置,此
时,活塞到达左侧的极限位置,伺服电机1的输出轴转速为V’,实现单缸机压缩排气冲程的
模拟,同时实现了对模拟装置内所有部件的回程减速;
动的回程过程中阻力不断增大,用于模拟单缸机压缩排气冲程中的阻力变化;
实现对小型内燃机曲轴系统的四冲程的模拟,即等效小型内燃机曲轴系统的四冲程的工作
状态;通过调节设定的伺服电机1的转速,可以调节伺服电机1输出转矩,从而调节稳定状态
时从动曲轴8的转速大小,实现多转速模拟。
保护范围之内。