автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Моделирование колебаний двигателя на подвеске на режимах с высокой цикловой нестабильностью

у / , . г - -л /

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Сафронов Павел Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ПОДВЕСКЕ НА РЕЖИМАХ С ВЫСОКОЙ ЦИКЛОВОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТЬЮ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н., проф. И.В. Алексеев

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................5

Глава 1. Анализ динамических процессов, связанных с

неравномерностью частоты вращения коленчатого

вала и подвижностью элементов КШМ..............................8

1.1. Неравномерность частоты вращения коленчатого вала двигателя как показатель неидентичности последовательных рабочих циклов...............................................................8

1.2. Классификация неидентичности последовательных рабочих циклов..........................................................................9

1.3. Показатели количественной оценки неравномерности частоты вращения коленчатого вала...................................11

1.4. Моделирование колебаний двигателя на подвеске..................18

Глава 2. Экспериментальное исследование закона изменения

частоты вращения коленчатого вала двигателя на

режиме холостого хода....................................................................26

2.1. Разработка экспериментальной методики исследования колебания частоты вращения коленчатого вала двигателя

на режиме холостого хода................................................................26

2.1.1. Объект испытаний и средства измерения..............................26

2.1.2. Выбор углового интервала измерения мгновенной

скорости вращения коленчатого вала..................................30

2.1.3. Выбор критериев оценки неравномерности частоты вращения и необходимого объема выборки для его определения..................................................................32

2.2. Экспериментальный анализ неравномерности частоты

вращения коленчатого вала двигателя на режиме холостого хода................................................................................41

2.3. Выводы по Главе 2..........................................................49

Глава 3. Расчетный анализ динамического поведения силового

агрегата на упругих опорах..........................................................51

3.1. Обоснование расчетной схемы и выбор метода расчета.............51

3.2. Вывод основных дифференциальных уравнений динамики силового агрегата с учетом подвижности внутренних масс и переменности массово-инерционных характеристик двигателя......................................................................58

3.3. Моделирование нестационарных режимов вращения коленчатого вала..............................................................64

3.4. Численная реализация анализа движения силового агрегата.......66

3.5. Анализ результатов, полученных с помощью разработанной модели двигатель - подвеска на стационарных режимах.............67

3.6. Анализ результатов расчетов динамического поведения двигателя на режимах заданного закона изменения угловой скорости вращения КВ......................................................................85

3.7. Обсуждение результатов Главы 3....................................................94

Выводы..............................................................................................................95

Литература........................................................................................................97

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. К числу основных задач

автомобилестроения и двигателестроения относится снижение уровня динамических нагрузок в двигателе и в транспортных средствах. Эта важнейшая тенденция непосредственно связана с увеличением ресурса узлов и агрегатов двигателей и транспортных средств, снижением материалоемкости, повышением комфортности и акустической экологичности транспортных средств, улучшением условий труда на транспорте.

Среди причин возникновения динамических нагрузок, порождаемых работающим двигателем, важное место занимают динамические эффекты, производимые движением элементов кривошипно-шатунного механизма. Эти эффекты усугубляются неизбежной неравномерностью вращения коленчатого вала.

Актуальность разработки мероприятий, направленных на снижение виброактивности двигателя, усиливается тем, что даже небольшие изменения среднестатистических значений нагрузок могут вызвать существенное изменение ресурса.

Актуальность предлагаемой работы определяется тем, что практические меры по снижению виброактивности двигателя невозможны без серьезного изучения причин возникновения указанных динамических эффектов. К числу способов такого изучения относятся как чисто экспериментальные, так и расчетно-аналитические методы, а также различные их комбинации.

Цель работы. Разработка методов анализа динамического поведения двигателя на подвеске с учетом переменности инерционных

характеристик, вызванной подвижностью элементов кривошипно-шатунного механизма и неравномерностью вращения коленчатого вала.

Методы исследования. В работе сочетались методы расчетно-аналитического и экспериментального исследования. Основным инструментом расчетно-аналитического исследования были методы аналитической механики (уравнения Лагранжа второго рода) в сочетании с методами численного интегрирования. Экспериментальные исследования неравномерности частоты вращения коленчатого вала проводились путем регистрации временных интервалов поворота коленчатого вала на определенный угол.

Научная новизна. Разработана динамическая модель поведения двигателя на подвеске, учитывающая влияние подвижности элементов кривошипно-шатунного механизма и неравномерности частоты вращения коленчатого вала двигателя на колебания двигателя на подвеске. Показано существенное отличие расчетного характера колебаний от результатов, полученных по методикам, не учитывающим влияние указанных факторов.

Практическая ценность. Результаты выполненной работы могут быть использованы при проектировании и доводке элементов подвески двигателя. Разработанная методика позволяет определять нагрузки, действующие на упругие элементы подвески двигателя, и дает возможность снизить виброактивность двигателя путем варьирования расположения его опор.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 3-й Международной научно-технической конференции «Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе» (1999 г.), на семинарах и заседаниях кафедры "Теплотехника и автотракторные двигатели" МАДИ (ТУ).

Публикации. По материалам работы опубликованы три работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 32 иллюстраций и 6 таблиц. Список использованной литературы включает 66 наименований, в том числе 12 иностранных.

Глава 1. Анализ динамических процессов, связанных с

неравномерностью частоты вращения коленчатого вала и подвижностью элементов КШМ.

1.1. Неравномерность частоты вращения коленчатого вала двигателя как показатель неидентичности последовательных рабочих циклов

Неидентичностью последовательных рабочих циклов (НПРЦ) называется неидентичность средних крутящих моментов в последовательных рабочих циклах (ПРЩ которая вызывает дополнительные колебания угловой скорости коленчатого вала (КВ), а также колебания силового агрегата на подвеске, ухудшая эксплуатационные свойства автомобиля.

В соответствии с работой [51] под рабочим циклом понимают отрезок времени, за который КВ повернется на угол ф, соответствующий периоду изменения суммарного крутящего момента (например, для 8-ми цилиндрового двигателя ф=90°).

Неравномерность (НР) крутящего момента обусловлена цикличностью рабочего процесса двигателя, а также кинематическими особенностями кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Все это в свою очередь вызывает так называемую естественную НР частоты вращения или угловой скорости КВ. Нарушения идентичности рабочего процесса и связанной с ней идентичности суммарного крутящего момента в ПРЦ отражается на характере изменения частоты вращения КВ. Дополнительные колебания угловой скорости накладываются на естественную НР вращения КВ.

Предполагается, что информация о воспроизводимости рабочего процесса в ПРЦ содержится в оценках неравномерности частоты вращения (НЧВ) КВ [13, 51]. Характер изменения угловой скорости КВ

зависит лишь от стабильности ПРЦ в цилиндрах двигателя [52]. В работе [51] угловая скорость названа энергетическим параметром двигателя с учетом того, что ее изменение в цикле прямо пропорционально избыточной работе [13]. При одинаковой неидентичности ПРЦ неравномерность частоты вращения может существенно зависеть от упругости трансмиссии и наличия зазоров в ней [43]. Поэтому в общем случае связь между НПРЦ и НР частоты вращения КВ следует признать корректной только на режимах холостого хода.

1.2. Классификация неидентичности последовательных рабочих

циклов

Основная задача классификации НПРЦ заключается в дифференцировании причин и характера неидентичности с целью более глубокого и целенаправленного проведения доводочных и исследовательских работ. Классификацию будем проводить рассматривая неравномерность угловой скорости КВ в качестве информационного параметра для оценки НПРЦ. Причем, если строить оценку НПРЦ на основе изменения скорости КВ в пределах каждого рабочего цикла за ПРЦ, то следует сразу ввести понятие естественной или кинематической НР вращения КВ, в основе которой лежит периодичность крутящего момента, вызванная цикличностью рабочего процесса двигателя и кинематическими КШМ.

В основу классификации НЦРП положены различия в избыточной работе в серии циклов, различия в распределении по цилиндрам избыточной работы в серии последовательных полных рабочих циклов с различными показателями, их чередование или группировка во времени. По этим признакам НПРЦ разделяются на 3 вида:

1) НПРЦ 1-го вида определяется невоспроизводимостью рабочего процесса в ПРЦ каждого цилиндра и возникает даже при равномерном распределении суммарной избыточной работы по цилиндрам.

2) Отличительными признаками НПРЦ 2-го вида является систематическое различие показателей рабочего процесса (и, следовательно, значений приращений частоты вращения КВ) по отдельным цилиндрам. Т.е. для НПРЦ 2-го вида характерно неравномерное распределение суммарной избыточной работы между отдельными цилиндрами при абсолютной идентичности ПРЦ в каждом из них.

3) Для НПРЦ 3-го вида отличительным признаком является неодинаковая степень НПРЦ 1-го вида в соседних одинаковых по объему выборках ПРЦ. НПРЦ 3-го вида определяется крупномасштабной неидентичностью ПРЦ и рассеиванием относительно среднего значения результатов измерения количественных критериев по отдельным одинаковым по объему выборкам.

Существуют 2 разновидности НПРЦ 3-го вида. Первая из них возникает даже при отсутствии НПРЦ 1-го вида и является результатом случайного перераспределения избыточной работы между цилиндрами в отдельных анализируемых выборках ПРЦ, Вторая разновидность может иметь место при сохранении распределения суммарной избыточной работы по цилиндрам и вызывается случайными и принципиальными изменениями суммарной избыточной работы в анализируемых выборках [50].

Основная причина НПРЦ 3-го вида - изменения в порядковом распределении во времени циклов с различными показателями по совершаемой ими работе, их чередование или группировка. Это приводит к большому диапазону изменения угловой скорости КВ, увеличению реальной неравномерности, ухудшению устойчивости работы двигателя [27].

Свойство разномасштабное™ НПРЦ затрудняет анализ ее влияния на эксплуатационные свойства двигателя,, а так же выбор оценочных критериев. НПРЦ 1-го и 2-го видов названы автором работы [27] основными видами НПРЦ. Однако эксплуатационные свойства двигателя зачастую определяются именно НПРЦ 3-го вида, имеющей низкочастотный характер. Она проявляется в ухудшении ездовых свойств автомобиля, в его неравномерном движении без воздействия на орган управления, особенно на малых скоростях движения. Открытие дроссельных заслонок карбюратора при разгоне автомобиля с малых скоростей движения, когда имеет место повышенная НПРЦ, может сопровождаться «провалами» в работе двигателя, рывками и толчками при движении автомобиля, что снижает его эксплуатационные свойства. НПРЦ 3-го вида проявляется также в колебаниях двигателя на подвеске, т.к. система "двигатель-подвеска" реагирует только на низкочастотные изменения среднего за цикл суммарного крутящего момента.

1.3. Показатели количественной оценки неравномерности частоты вращения коленчатого вала.

Количественная оценка НПРЦ посредством оценки НР частоты вращения КВ двигателя позволяет оперативно контролировать эффективность изменений, вносимых в конструкцию двигателя, и его регулировки, а также оценивать качество работы систем питания и зажигания. Требования к выработке количественных критериев, изложенные в работе [27] 4 сводятся к адекватности, универсальности и экономичности. Практически это означает, что количественные критерии должны однозначно отражать НПРЦ, обладать необходимой разрешающей

способностью, реагировать на различные виды НХТРЦ и сравнительно легко вычисляться.

Рассмотрим некоторые количественные оценки НПРЦ с точки зрения их соответствия указанным требованиям. В основу большинства количественных критериев степени НПРЦ положена степень рассеивания избыточной работы за серию ПРЦ относительно некоторой средней величины.

1) Коэффициент вариации приращения угловой скорости за цикл в серии ПРЦ, рассматриваемый как в целом по двигателю (5), так и для отдельных цилиндров (8К) [4, 8]:

8

1 N ■% I -1А(0,-

Да,

m

AÖ);

где N - общее число ПРЦ;

AtOi - изменение (приращение) угловой скорости в 1-м ПРЦ;

Acör=Ä(Öj max-Äföimm

AiOi max, До; min - максимальное и минимальное значения угловой скорости в i-м цикле;

mA(0i - математическое ожидание величины Aö>j за N ПРЦ.

\ n

m

да,

Nu

1 Л

N-Ш

ÄÖ4k-mA(öit

m

Дсо,

где Nk - число ПРЦ для k-го цилиндра;

А(01 к - приращение угловой скорости в ьм цикле к-го цилиндра;

ШД(В - математическое ожидание До.) 1 к за 1Чк ПРЦ к-го цилиндра.

Коэффициенты вариации 8 и 5К хорошо отражают НПРЦ 1-го вида. В работе [29] установлена корреляционная связь между ними и составом смеси. Однако эти коэффициенты характеризуют только амплитуду колебаний угловой скорости, но не ее (угловой скорости) абсолютную величину. Поэтому они не отражают отклонение средней угловой скорости от цикла к циклу, а также не учитывают порядковое расположение циклов с различной величиной избыточной работы, что особенно важно для оценки НПРЦ 3-го вида [50]. Поэтому в общем случае использование коэффициентов вариации в ПРЦ (б и 5К) для полной оценки НПРЦ недостаточно.

2) Порядковое расположение циклов с различной избыточной работой может быть учтено коэффициентом вариации наибольших максимальных и наименьших минимальных (амплитудных) значений угловой скорости КВ за период изменения суммарного крутящего момента за серию ПРЦ [50, 51]:

СТц

к

где N - число ПРЦ;

(£>{ тах — наибольшее максимальное значение (0[ в 1-м цикле; Ш„ - математическое ожидание (о: тах за сеоию ПРЦ.

ш ¡тах

Коэффициент вариаций Ст( (для него сохранено не очень удачное обозначение, принятое в работах [50, 51]) уже учитывает низкочастотную НР вращения и порядковое распределение циклов с различной избыточной

работой. Но он не отражает влияния на с^ тах соотношения показателей предыдущего и данного циклов. Можно вполне представить режим, когда СО! шах-СОГ^ (а 1=0), а ©1 щщ^сот!:. Но СО; тЬл в ьм цикле зависит с одной стороны от положительного крутящего момента, создаваемого в конце такта расширения (ь1)-го цикла, а с другой - от отрицательного момента, создаваемого в конце такта сжатия в следующем по порядку работы цилиндре.

3) Отмеченные недостатки коэффициента вариации Ст[ устраняются использованием коэффициента вариации Ст2 совокупности наибольших максимальных и наименьших минимальных значений угловой скорости за каждый цикл за серию ПРЦ [3]:

(То =

Ш1шах "тсо; 1 +((01шт~то)

■У

1Ш1П /

где со; тах, Ю; т|п - наибольшие максимальное и наименьшее минимальное значения угловых скоростей в цикле; Ш„ - математическое ожидание совокупности наибольшего

Ш |

максимального и наименьшего минимального значений угловой скорости за серию ПРЦ;

N N

^ ® 1 тах ^ X ® 1 шт _ 1=1 1=1

т

2К

Совокупность значений Ю; тах и ©1 т,п охватывает весь реальный диапазон колебаний угловой скорости, что увеличивает разрешающую способность критерия.

I J>

Т.о., если ухудшение устойчивости работы двигателя связано с ухудшением идентичности ПРЦ, то оно может характеризоваться коэффициентом вариации приращения углозой скорости в ПРЦ (5).

Но реальная HP частоты вращения КВ, определяющая устойчивость работы двигателя, порождается не только колебанием приращения Асо{ в циклах, но и порядковым распределением циклов с различными показате�