发动机与起动机性能匹配测试系统的结构设计汇总.docx
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发动机与起动机性能匹配测试系统的结构设计汇总
发动机与起动机性能匹配测试系统结构设计
1绪论
1.1选题的意义
2007年中国汽车销售879.16万辆，2010年汽车销售规模达到1800万辆。
汽车起动机市场也随之蕴含着巨大商机。
目前，我国汽车起动机和发动机及其主要零部件产品的制造企业在600家以上，其中具有整机生产能力的约300家。
随着竞争的加剧，业内市场分割日趋明朗，国产汽车起动机和发动机的国内配套市场覆盖率达到99%以上，包括国产乘用车、微型车、轻型车、客车、载货汽车、各类工程及农用机械、船舶等。
其中外商独资以及外资企业合资企业，市场扩张迅速，逐渐成为我国乘用车、商用车行业配套机器的主力供应商。
相对固定的市场竞争格局使行业原有生产能力得到基本释放，可以预测，行业内新一轮大规模的投资即将兴起。
2000年～2006年，汽车发动机行业的产销率均在行业标准值96%以上。
随着国内汽车产量的快速增加和技术的进步，对发动机测试设备的需求量越来越大，要求越来越高，使国产发动机测试设备企业也得到了较快的发展。
通过技术引进和自主开发，江苏启测测功器有限公司、河南洛阳南峰机械厂、70研究所、杭州奕科机电技术有限公司、杭州中成测试设备有限公司、江苏南通常通测试设备有限公司等企业的技术水平和生产能力都有了较大的提高，不但能生产性能水平较高的测功器，也能生产成套的发动机常规测试设备及部分专用测试设备。
但与国外先进水平比，设备的性能、精度和质量水平还较低，成套设备配套使用的可靠性较差，协调各硬件工作的控制软件的技术水平还需提高；由科研机构研制的专项测试仪器难以商品化，无法满足汽车发动机行业发展的需要，目前各国内汽车发动机厂用于产品研发的测试设备基本都采用进口的，排放标准所需的测试设备也都依赖进口。
因此研发一套成熟的系统是十分必要的。
测试台的优点：
不需要整车，所以可以在汽车动力系统的开发早期对汽车动力系统除了发动机以外的部分进行模拟，从而研究内燃机的动态性能，便于新型发动机的开发，为汽车动力传动系统的优化匹配提供了一种很方便的试验手段，试验重复性好，可以使用多种测量方法，而且可以使用道路试验和转鼓试验不适用的精度更高的、采样频率更快的测试设备，使测试技术水平得到明显提高。
《汽车发动机性能试验方法》（GB/T18297-2001）规定了汽车用发动机性能台架试验方法，包括各种负荷下的动力性及经济性试验方法，无负荷下的起动、怠速、机械损失功率试验方法以及有关气缸密封性的活塞漏气量及机油消耗量试验方法。
1.2发动机的简述与结构
发动机（Engine），又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。
（把电能转化为机器能的称谓电动机）有时它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器，比如汽油发动机,航空发动机。
发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。
内燃机，这一类型的发动机与外燃机的最大不同在于它的燃料在其内部燃烧。
内燃机的种类十分繁多，我们常见的汽油机、柴油机是典型的内燃机。
我们不常见的火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。
不过，由于动力输出方式不同，前两者和后两者又存在着巨大的差异。
一般地，在地面上使用的多是前者，在空中使用的多是后者。
当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的，也在汽车上装用过喷气式发动机，但这总是很特殊的例子，并不存在批量生产的适用性。
发动机机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。
因此，机体必须要有足够的强度和刚度。
机体组主要由气缸体、汽缸套、气缸盖、气缸垫和输出轴等零件组成。
1.3测功机-转矩转速传感器
1.3.1转矩转速传感器简介
转矩传感器主要由扭力轴、磁检测器，转筒及壳体等四部分组成。
磁检测器包括配对的两组内、外齿轮，永久磁钢和感应线圈。
外齿轮安装载扭力轴测量段的两端；内齿轮转筒内,和外齿轮相对，永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内。
永久磁钢，内外齿轮构成环状闭合磁路,感应线圈固定在壳体的两端盖内。
在驱动电机带动下，内齿轮随同转筒旋转。
内外齿轮是变位齿轮，并不齿合，齿顶六由工作气隙，内外齿轮的齿顶相对时气隙最窄，齿顶和齿槽相对时，气隙最宽。
内外齿轮在相对旋转运动时，齿顶与齿槽交替相对，相对转动一个齿位时,工作气隙发生一个周期的变化,磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化,因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号,讯号电压瞬时值的变化和内外齿轮的相对位置的变化是一致的。
测功机也称测功器，主要用于测试发动机的功率，也可作为齿轮箱、减速机、变速箱的加载设备，用于测试它们的传递功率。
主要分为水力测功机、电涡流测功机、电力测功机。
电力测功机利用电机测量各种动力机械轴上输出的转矩，并结合转速以确定功率的设备。
因为被测量的动力机械可能有不同转速，所以用作电力测功机的电机必须是可以平滑调速的电机。
目前用得较多的是直流测功机、交流测功机和涡流测功机。
直流测功机可作为直流发电机运行，作为被测动力机械的负载，以测量被测机械的轴上输出转矩；也可以作直流发电机运行，拖动其他机械，以测量其轴上输入转矩。
转矩与测速发电机测得的转速之积即轴功率。
这就是测功机一名的由来。
交流测功机通常由一台三相交流换向器电动机和测力计、测速发电机组合而成。
它的测功原理与直流测功机相同。
涡流测功机利用涡流产生制动转矩来测量机械转矩的装置。
它由电磁滑差离合器（见电磁调速异步电动机）、测力计和测速发电机组成。
被测动力机械与电磁滑差离合器的输入轴连接，带动电枢旋转，磁极则被安装其上的测力臂掣住,只能在一定范围内摆动一角度,配合测力计就可以由此摆动角直接读出电枢与磁极间作用的电磁转矩。
略去风摩损耗等测量误差时，此电磁转矩就等于被测动力机械的输出转矩。
涡流测功机只能产生制动转矩，不能作为电动机运行。
一般用于测量转速上升而转矩下降，或转矩变化而转速基本不变的动力机械。
1.3.2电涡流测功机工作原理
由电涡流测功机结构图可知，感应子主要由旋转部分和摆动部分（电枢和励磁线圈）组成。
转子轴上的感应子形状犹如齿轮，与转子同轴装有一个直流励磁线圈。
当励磁线圈组通以直流电流时，其周围便有磁场存在，那么围绕励磁组就产生一闭合磁通。
很明显，位于绕组左侧的感应子具有一个极性，右侧具有相反的极性。
旋转时，由于磁密值的周期性变化而产生涡流，此涡流产生的磁场同产生它的磁场相互作用，从而产生与被试机反向的制动力矩，使电枢摆动，通过电枢上的力臂，将制动力传给测量装置。
转速测量采用非接触式磁电转速传感器和装于主轴的60齿牙盘，将转速信号转换成电信号输出。
1.4动力性指标
动力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、发动机转速等作为评价指标。
1.4.1扭矩
扭矩表示使物体加速转动的能力。
一般来讲，汽车发动机的马力大通常扭矩也大。
如果用扭矩来表示功率，可以写成式（1.1）：
N=Mw…………………………………………………………（1.1）
N为扭力
M是扭矩
w是转动的角速度
也就是说，刚才我们说扭矩大马力也大的前提是转速相同。
如果在马力相同的情况下，扭矩与转速就成反比，转速高的发动机扭矩就会比较小。
1.4.2转速
发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速，用n表示，单位为r/min。
发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。
因此，在说明发动机有效功率的大小时，必须同时指明其相应的转速。
1.4.3功率
是单位时间内做功的大小或能量转换的大小。
若令ΔW是在Δt时间内所做的功，则这段时间内的平均功率Pavg由式（1.2）给出：
………………………………………………………………………（1.2）
瞬时功率是指时间Δt趋近于0时的平均功率，如式（1.3）所示：
………………………………………………………（1.3）
1.5机械振动的来源
机械振动是指表示机械设备在运动状态下，机械设备或结构上某观测点的位移量围绕其均值或相对基准随时间不断变化的过程。
与信号的分类类似，机械振动根据振动规律可以分成两大类：
稳态振动和随机振动。
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。
只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。
幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。
不同的频率成分反映系统内不同的振源。
通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。
振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。
对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。
简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。
本节讨论最为简单的单自由度系统在两种不同激励下的响应（即单自由度系统的受迫振动）:
以利于正确理解和掌握机械振动测试及分析技术的有关概念。
在振动测量时，应合理选择测量参数。
如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与能量和功率有关，并决定了力的动量。
1.6国内常用机型比较
虽然国内的发动机型号多种多样，但是表1.1中四种型号共占据了国内市场的63%左右，有较大的研究价值。
表1.1国内大部分发动机型号
发动机型号
优点
适用车型
丰田8A－FE
经济、可靠、维修
夏利威姿夏利N3吉利
三菱4G63
维修方便、成本低
瑞虎东方之子哈弗CEOJeep2500
大众1.8T
动力表现极佳
途安速腾帕萨特A4A6宝来
五菱B系列
油耗低、功率大
五菱鸿途
1.7发动机测试系统未来发展方向
发动机测试需要测试的项目繁多，如扭矩（力）、转速、压力、温度、流量、流速、噪声、位置和位移等，涉及的测试技术、测试设备和测试方法也多种多样。
发动机测试分为性能试验和专项试验，性能试验包括动力性、经济性、可靠性和耐久性等，专项试验是为特定目的进行的试验，如热冲击试验、排放试验、温度场试验、热平衡试验等。
1.8本章小结
本章论述了选题的意义及发动机参数的意义，对国内外此方面的研究做了研究，并对未来测试系统的研究方向做出展望。
2测试系统设计整体方案选择
2.1测试方法
将测功机与发动机进行连接后，启动发动机，由测功机读出转速和扭矩等参数，方便而且直观地获得发动机起动过程中的转速和扭矩等重要性能参数的数据。
2.1.1发动机起动性能测试
两组蓄电池串联，在其内部溶液温度达到箱内温度电压不低于24V时开始起动，起动机起动后拖动发动机转动如果在15s拖动时间内发动机着火并自行运转，即为起动成功，若超过15s未能自行起动,其间无断续着火声即为起动失败，若其间有断续着火声并伴随着冒黑烟。
允许继续接通15s，若能自行运转亦为起动成功，然后根据特性曲线确定起动成功所需的时间，即起动时间。
起动成功后，紧接着做发动机的拖动试验，此时不给发动机供油，让起动机拖动发动机转动，测出发动机的成功起动转速，即起动转速。
根据起动时间和起动转速，可判断出与发动机匹配性能最好的起动机。
2.1.2发动机动态阻力矩测试
使用整流电源给起动机供电，让起动机拖动发动机转动10s获取发动机的动态阻力矩。
2.1.3发动机静态阻力矩测试
人工轻微转动发动机飞轮10次，每次间的角度相差30°取每次的最大阻力矩。
2.1.4怠速试验
将发动机油门松开，在低速空转的状态下运行5min后进行测量,每隔20s测一次,共测10次,最后计算平均转速和转速变化率,以评定怠速功耗及其稳定性。
2.2总体方案设计
2.2.1设计任务
设计任务如下:
发动机测试系统试验台能够放置不同型号的发动机，可以在水平面的两个方向和竖直方向调节发动机位置，使它能与其它部分配合，以便准确地测试。
a）转速：
0～3000RPM
b）精度：
优于0.1％误差小于5转/分
c）扭矩：
0～100N.m误差：
±1.5％
2.2.2设计的整体方案
总体布置设计如下：
a）基础应该有足够的重量，测功器不应与发动机支架同装于一块底板上；采用行业标准的基础底板设计，可以减少振动和成本。
b）台架基础置于开放环境中，可进行微调，方便操作。
c）可以测试多种引擎，只需调节最少量得零件。
d）由于测试的功率不大，所以对于内燃机各缸周期性的惯性力和力矩引起的受迫振动采用橡胶垫减震。
e）尽量使用标准件并减少零件数。
总装图如图2.1所示
图2.1总装示意图
2.3本章小结
本章论述了如何确定总体方案并拟定了设计思路，为接下来的设计提供了方向。
3.测试系统设计参数选择和分析
3.1设计参数的选择与分析
测试平台的设计参数是由被测发动机决定的，如表中所示的发动机尺寸。
表2.1国内常见发动机尺寸
发动机型号
尺寸规格长×宽×高（单位mm）
丰田8A－FE
690×588×750
三菱4G63
670×560×670
大众1.8T
650×520×600
五菱B系列
700×570×750
底板根据发动机大小、测功机规格推算出大致的底板长度和宽度如式（3.1）与式（3.2）所示：
………………………………………………（3.1）
…………………………………………………………（3.2）
B（l/w）：
地板长/宽
M（l/w）最大的发动机长/宽
所以单块平台尺寸：
长×宽×厚=3000mm×1446mm×100mm
由于不需要承担横向力与剪切力，因此挑选了较小的M12T型槽螺母与650标准的T型槽作为支架与地板的联接件。
3.2地板螺栓的选择
地板与引擎支架之间的链接如图3.1所示
图3.1地板与引擎支架间的链接孔
根据CFM—ITBONA公司提供的标准，直径M12的孔深H应为24mm，孔宽b应为23.2mm。
加上支架底高15mm和螺母12mm，所以应选用由此才能对应T槽专用的螺栓GB/T37-1988M12×50。
地板使用M48地脚螺栓安装固紧、M36调整螺钉调平，其间距设置为横向1000mm、纵向500mm；设有吊装孔及接地螺孔（不小于M12）（根据行业规则，以上参数无需在工程图中画出，由地板生产厂商设计）。
台架支架其高度由最大可测试的柴油发动机大小计算，单支架尺寸：
长×宽×厚=226mm×224mm×750mm。
使用HT200铸造台架支架，减震效果很好，但是成本高；因此需要使用减震性能较好但价格便宜的材料进行制造。
10mm热轧钢板（牌号:
08F）价格较便宜，易于加工，因此成了较好的选择。
08F的材料性能如下：
拉延级别|Z|抗拉强度:
275～365MPa
拉延级别|S和P|抗拉强度:
275～380Mpa
3.3支架的微调装置
因为整套装置的安装是需要吊车的，因此是不太容易使用吊车进行精确的安装，但是测功机对于精度的要求还是非常高的。
所以一套能微量调节的装置是很有必要的。
垂直方向上的调节可以使用螺杆与螺母调节。
由于各个发动机的重量不一，因此要挑选最大的，并给予一定的安全系数，本设计中为0.7。
表3.1国内常见发动机重量及输出轴半径
发动机型号
重量（Kg）
输出轴半径（mm）
丰田8A－FE
140
28
三菱4G63
127
26
大众1.8T
180
25
五菱B系列
176
28
如表3.1所示，各个发动机的重量不是很高，根据最大扭矩和安全系数计算最大的压力如式（3.3）所示：
…………………………………………………（3.3）
其中：
P为最大压力
Wg为发动机重量
R为最小轴半径
Tmax为最大扭矩
S为安全系数
最后得出P=（180*10+100/0.025）x1.7=9860N
由上面的需求可以得出调节上下的全螺纹螺柱最小直径设计规格
工作载荷 Fc=10kN
残余预紧力系数 K=1.6
总载荷 F0=26.00kN
相对刚度 λ=0.25
预紧力 Fp=23.50kN
螺栓机械性能等级=6.8
螺栓屈服强度σs=480MPa
安全系数Ss1=3
螺栓许用应力[σ]=160.00MPa
材料种类=碳钢
螺栓公称尺寸 =M20
螺栓小径d1=17.294mm
3.4全螺纹螺柱
挑选了M30x750GB/T9125-2003，如图3.2所示。
图3.2全螺纹螺柱
虽然此产品是用于与管法兰标准配套使用的连接件标准，是管法兰系列标准之一。
但是其工作环境和受力方式相似，并没有剧烈受力变化循环，并配给了金属垫片，而且通过上节的计算，得知螺杆的公称直径只需M20即可，为保证安全使用M30，可以这此使用。
支架的引擎连接螺栓设计与分析：
表1中的发动机均使用M10螺栓作为紧固件（共8个），由于连接部分需要承受剪切力（横向），因此其设计时需要考虑其强度，校核如下：
受横向力10000/8N，既1250N
工作载荷 Fc=1.25kN
残余预紧力系数 K=1.6
总载荷 F0=3.25kN
相对刚度 λ=0.25
预紧力 Fp=2.94kN
螺栓机械性能等级=6.8
螺栓屈服强度σs=480MPa
安全系数Ss1=4
螺栓许用应力[σ]=120.00MPa
材料种类=合金钢
螺栓公称直径Md=M10
螺栓小径 d1=8.376mm
螺栓计算应力σ=76.92MPa
校核计算结果：
σ≤[σ]满足
为统一支架上的螺栓外径，方便使用，所有支架上支撑用螺栓均为M10。
3.5支架零件校核
3.5.1剪切力分析校核
为加工方便，使用了与支架加工相同的板材——10mm热轧钢板，由于零件需要承受横向剪切力如图3.3所示。
图3.3支架零件受剪力图
因此需要校核。
校核如下：
τ=7104Pa<<275Mpa[安全]
3.5.2纵向压力分析
支架零件所受压力如图3.4所示
图3.4支架零件所受压力图
校核结果：
σ=7014Pa<<275Mpa[安全]
3.6切应力变形分析
金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定律），这个比例系数就称为弹性模数或弹性模量。
根据应力，应变的性质通常又分为：
正弹性模数（E）和剪切弹性模数（G），弹性模数的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，所以，它在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模数愈大，刚度也愈大，亦即在一定应力作用下，发生的弹性变形愈小。
对于支架零件的校核如式（3.4）所示，示意图如图3.5所示。
τ=15671Pa
G=7.83GPa
图3.5切应变示意图
………………………………………………………………（3.4）
由此计算出应变为γ=0.002mm<[γ]安全
3.7支架的振动分析
传统的发动机采用弹性支承降低振动，隔振装置结构简单，成本低，性能可靠。
橡胶支承一般安装在车架上，根据受力情况分为压缩型，剪切型和压缩-剪切复合型等。
压缩型结构简单，制造容易，应用广泛，且由于自振频率较高，一般限于垂直方向上使用。
剪切型自振频率较低，但强度不高。
压缩-剪切复合型综合了前面两种结构的优点可以满足耐久性和可靠性要求。
这是目前国内外最广泛采用的。
为了使隔振橡胶支承系统具有较好的减振性能参数求一具方向的弹簧常数不变，其他方向刚度加强的情况下，可采取在橡胶中间加入钢板来改变缩剪切的弹簧常数。
这样也可使旬形尺寸减小。
本设计中也使用顺丁橡胶垫来隔绝振动的发动机，顺丁橡胶的性能如下：
a）强度:
C级
b）耐磨:
AB级
c）防振:
A级
由于橡胶垫安装后除压力和振动外无需承受其他力，因此强度无需考虑。
而且采用了HT200制造的地板来减少振动。
3.8联轴器的设计与分析
根据最大的扭矩和安全系数，如下式3.5计算：
………………………………………………（3.5）
其中：
为许用扭矩
为最大扭矩
S为安全系数，此取0.2
得出联轴器可选择型号:
GY4,GYS4,GYH4（GB/T5843-2003）,如图3.6所示
图3.6GY4,GYS4,GYH4型联轴器
技术参数如下：
公称转矩Tn/（N·m）:
224
许用转速[n]/（r/min）:
9000
轴孔直径d1、d2:
25mm
3.9测功机支架选择与分析
测功机根据设计要求选择，最后通过对比选择了海安航成机电制造有限公司的ZJ-20型，最高转速4000RPM，最大扭矩200Nm。
如图3.7所示
图3.7.测功机外形示意图
测功机的详细精度参数如下：
a）静标精度:
在标定传感器系数的相同环境温度下（不相同时按温度系数修正），静标定误差应不超过±0.2%。
b）在额定转速范围内，套筒固定在任意位置时，不同转速下扭矩测量读数变化应不大于±0.2%。
c）传感器转轴转动,中间套筒在不同位置时,读数误差应不超过±0.2%;或者中间套筒转动（启动驱动电机），轴在不同位置时，读数误差应不超过±0.2%。
d）测量精度:
传感器与TR-1配合,其测量误差不超过±0.5%。
e）允许测量的最大扭矩：
120%额定值。
f）输出电压信号幅度：
不小于0.7V有效值。
g）工作时间：
可连续运行。
可见是满足设计要求的，因此无需再进行选型。
由于此公司提供了减震片及附件，所以不需要进行测功机附件的设计，仅需要设计其支架。
根据测功机规格，推算出支架规格：
长×宽×厚=370mm×210mm×300mm。
由此，测功机构成了一个简单的测试系统，如图3.8所示
图3.8测试系统示意图
3.10本章小结
本章论述了如何确定发动机与起动机性能匹配测试系统结构中零件的参数及进行校对。
4测试系统的安装与使用
安装大致方向是使用吊车将发动机输出轴与测功机对齐，使用微调系统将两者用联轴器连接。
示例安装视图如图4.1所示，
图4.1最后安装完毕后示意图
由于支架和测功机在XY平面上有2个自由度，因此引擎的位置并不固定，所以可以视用户的需求调整两者之一达到调整目的。
安装完整顺序：
a）首先将4个地板用螺栓放入槽内，测功机底盘对正螺栓，并放置于地板上，使其中心能对正地板的槽线，并使用地板螺栓将其固定于地板上。
如图4.2所示。
图4.2测功机底盘安装示意
b）测功机的安装参照测功机生产厂商的说明。
c）放入4个地板用螺栓以便安装引擎支架，将引擎支架按附中的装配图2安装完毕后将其底部的四个槽对其地板上的螺栓；至少需要如此安装四个引擎支架。
d）分别为引擎输出轴和测功机输入轴装上联轴器，但不连接。
e）将引擎输出轴吊装至与测功机水平，同时将引擎支架移动至固定位置将引擎固定，连接联轴器后即可使用。
支架后盖是作为调整单元的支撑部分，必须安装，同时，后盖还可以提供一定的保护作用。
为了减少振动对测试系统的影响，其他需要连接的部分应使用非刚性连接。
为使系统处于最佳的状态，应尽量减少拆装。
5总结
本文完成了“发动机与起动机性能匹配测试系统结构设计”的构建，针对汽车发动
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