小型发动机耐久性试验台架开发论文任务说明书讲解.docx
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小型发动机耐久性试验台架开发论文任务说明书讲解
摘要
发动机耐久性是发动机性能的一个重要指标，它关系到发动机能否达到使用者的寿命要求，同时它与可靠性有着密切联系，因此任何发动机设计者都不能忽略这一指标。
由此看来，针对耐久性的试验以及试验台架的开发都是十分重要也很必要的。
本文介绍的小型发动机耐久试验台架开发考虑到耐久性试验的特殊要求—工况单一、时间长，选用了与小型发动机功率相匹配的直流发电机来消耗发动机功率；选用了发动机发电机一体化的台架方案；选用了带传动作为发动机与发电机的传动方式。
关键词：
发动机，耐久性，台架
Abstract
Theenginedurabilityisanimportantindexinitsperformanceforitrelationtowhethertheenginecanreachtheliferequirementsornot.Atthesametime,ithasacloserelationshipwithreliability,thuseveryenginedesiginershouldnotneglectthis.Fromthis,itisnotonlycrucialbutalsonecessaryfordevelopmentwhichaimatdurabilitytestandtestingbench.
Thispaperintroducesdevelopmentofsmallengine'sdurabilitytestingbenchwhichconsidersaboutdurabilitytest'sparticularrequirements,suchasworkingconditionsofsingle,longtime,soitchoosesaDCgeneratortouseupengine'spower;anditchoosestheschemeofarrangementoftestbenchthatengine-generatorintegration;anditchoosesbeltdrivebetweenengineandgenerator.
Keywords：
engine，durability，testbench
前言
研究背景及意义
小型发动机指除车用、航空用以外，具有广泛用途的往复活塞式发动机，一般功率在20kW以内，大多通用性很强，有的专业性较强，所以，一般也称为通用发动机，功率更大的非车用发动机一般都是车用发动机的变种，结构上与车用发动机相似。
国内现有的小型发动机功率范围大致为500W~24KW，其特点是体积质量较小、使用操作简便、适用范围广、价格便宜[1-2]。
我国小型发动机发展较快，但历史较短。
我国国民经济在改革开放期间得到了飞速的发展，机械、能源、材料等行业都发生了巨大的变革，各个行业的发展使小型发动机的性能得到不断的提升，同时也都对小型动力有或多或少的需求增长，这使得我国小型发动机工业有了突飞猛进的发展。
我国通用发动机产量在二十一世纪以前一直在四十万台到六十万台之间。
自二十一世纪开始，由于国民经济的高速发展，市场对小型发动机的要求逐步提高，很多摩托车生产企业开始涉足小型发动机领域。
同时小型汽油机行业吸引了大批国内外厂商的关注，不少外企与国内企业合资建厂，设计开发小型发动机。
不仅如此，国内生产的小型通用发动机还大量出口东南亚，为国内小型动力产业提供了发展资金[3]。
因此，小型发动机在国内占有举足轻重的地位，开发小型发动机耐久性台架，有一定的典型性。
耐久性是指产品在规定的使用和维修条件下，其使用寿命的一种度量。
所谓耐久性，是产品的一个寿命单位[4]。
针对耐久性所做的台架试验同其他的试验有所不同。
最主要的区别就是耐久性试验所需的时间远远超过其它试验所需的时间，这对实验设备平稳运转时间提出了严格的要求；而且，耐久性台架试验同其他试验相比，所测量的发动机参数和要求的精度也同其它试验不同，这决定了耐久性试验台可以舍去一些不必要的测试设备和采用其它精度较低但简便易操作的测量方法来代替[5]。
因此，这些特殊的情况要求试验台架对此作出相应的开发。
发动机耐久性试验有以下3个主要目的[6]：
（1）发现发动机在设计、材料及加工工艺中存在的各种缺陷，为设计提供整改意见；
（2）提高发动机的可靠性，初步确定发动机使用寿命；
（3）确认发动机是否符合耐久定量要求。
由于发动机耐久性的重要性，各个研究生产单位对发动机耐久性的试验一直重视，同试验密不可分的耐久性试验台架也是研究发动机耐久性的重要工具。
因此，开发发动机耐久性试验台架是对发动机性能全面测量必不可少的一个步骤。
同时，开发出一款能够同发动机试验要求相符合的台架对发动机开发的帮助也是巨大的。
国内外研究现状
发动机试验台架的发展同发动机的发展相适应，同时也受限于当时世界整体科技水平。
台架的发展同装配技术和测量技术是分不开的。
国外的发动机试验台架发展较早，先进的测量技术和控制技术都能尽早的应用在台架上。
大约在1980年左右，国外各方就开始对自动化的试验台架进行研究研究，一系列的发动机耐久性试验台被不同厂家和研究机构相继开发出来。
同时先进的控制技术，测量技术以及数据的输出技术都在帮助发动机台架不断进步。
80年代末，国内才开始出现引进的少量发动机自动化试验台架。
在目前来看，开发发动机台架所需要的各方面技术在我国已经成熟，生产厂能够设计制造并应用于生产中。
同时，与进口台架相比，使用同样功能设备的成本格仅为十分之一。
由此看来，发动机台架的国产化是需要努力也是前景光明的一个发展方向。
参考文献大致来源
在编写本文的过程中，参考了部分本科时期的主要教材，如《机械零件设计手册》、《机械制图》、《汽车发动机试验学教程》等，对本文的完成起了很大的作用。
同时，在某些部分参考了国内外期刊文献的内容，对文章有一定的补充。
另外，在进行台架设计时，查阅了很多国家标准，对台架的选型起了决定性作用。
除此之外，也学习了部分电气专业基础知识，使得台架的设计能够顺利完成。
第1章耐久性台架设计概述
1.1设计的主要原理
本文针对小型发动机的耐久性试验对台架进行了开发。
首先由于耐久性的特点舍弃了发动机测功机，并采用价格低廉可靠性好的直流发电机发电来消耗发动机功率；通过测量直流电的数据来计算发动机的功率等数据。
计算精度虽不能达到测功机的水平，但足够满足试验要求。
根据小型发动机的功率范围选择了相应电机的型号，达到适用不浪费的目的。
然后在这些选择的基础上，确定具体的测量手段和连接手段，最后开发出发动机耐久台架的成品。
1.2设计的主要内容
①设计小型发动机耐久试验台，要求此台架可满足5KW以下小型汽油发动机耐久性试验的各方面要求。
对支撑部分设计、连接传动设计、发电机型号选择、发电机控制原理等进行主要研究。
②根据现行按照《JBT5135.3-2013通用小型汽油机第3部分可靠性、耐久性试验与评定方法》的有关要求，对发动机试验过程中的各部分参数进行控制并能控制在某一要求的范围内，确保发动机台架实验的正常进行。
设计支撑要保证足够的强度；能够隔离发动机振动。
③合理设计发动机耐久试验中的能量流动，做好能量管理，使试验遵循节能环保的原则。
1.3解决的主要问题
1）如何实现发动机能正常、稳定的运行。
2）如何选择发电机以消耗发动机功率。
3）如何实现风冷发动机冷却正常、润滑油恒温系统联接。
4）如何解析实验台发动机与发电机的连接问题。
5）如何让此实验台架更方便使用、维护、保养。
第2章耐久性试验对台架的要求
2.1耐久性试验时间
发动机主要运动部件—活塞连杆组与曲轴飞轮组的运动方式为往复、旋转运动，它受到交变负荷作用，承受着循环应力。
往复、旋转运动零件一般采用107次不破坏的最大应力作为材料的“条件疲劳极限”或称“疲劳强度”。
这是由于即使再增加循环数，零件强度也不会再有明显变化，会导致浪费[6]。
则试验时间H初步可以计算为：
H×60×n<107
n为试验中发动机运行的最低转速
运行时间
H<107/（60×n）≈300h
GBT19055-2003对可靠性试验要求时间如下图：
表1车用发动机可靠性试验规范及运行持续时间
单位：
h
装机汽车类别
负荷试验规范（A机）
冷热冲击试验规范（B机）
交变负荷
混合负荷
全速全负荷
汽车最大总质量≤3500kg
400
—
—
200
3500kg≤汽车最大总质量
≤12000kg
—
1000
—
300
汽车最大总质量>12000kg
—
—
1000
500
装乘用车及商用车的发动机均按本表分类。
可靠性试验用发动机通常有两台，A机用于做负荷试验，B机用于做冷热机试验。
除了车用发动机，非道路用小型汽油机采用了不同的试验标准。
JBT5135.2-2013中耐久性时间要求如下图：
表2小型汽油机可靠性/耐久试验时间
汽油机类别
汽油机排量（V/mL）
耐久试验/可靠性试验时间（h）
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
非手持式
Ⅰ—A（V<66）
50/30
125/75
300/180
Ⅰ—B（66≤V<100）
125/75
250/150
500/300
Ⅰ（100≤V<225）
125/75
250/150
500/300
Ⅱ（V≥225）
250/150
500/300
1000/600
手持式
Ⅲ（V<20）
50/30
125/75
300/180
Ⅳ（20≤V<50）
50/30
125/75
300/180
Ⅴ（V≥50）
50/30
125/75
300/180
2.2耐久性试验工况
在进行耐久性试验之前，需要对发动机按磨合规范试验。
试验规范为：
在额定转速全负荷工况点上运行半小时，将发动机的有效功率同额定功率进行对比。
若低于额定功率，则继续运行一刻钟后再检查其功率。
磨合末期放净机油，重新加注新机油至机油标尺满刻度处[7]。
《GB26133-2010非道路移动机械用小型点燃式发动机排气污染物排放限值与测量方法（中国第一、二阶段）》规定了小型通用发动机耐久性试验中的工况循环，则选用直流发电机能通过对励磁电流的控制达到控制发动机工况的要求。
表3小型通用汽油机耐久性试验工况及权重系数
D2循环（发动机具有恒定转速及断续的负荷）
工况号
1
2
3
4
5
发动机转速
额定转速
中间转速
怠速
负荷（%）
100
75
50
25
10
权重系数
0.05
0.25
0.3
0.3
0.1
G1循环（非手持式发动机中间转速应用场合）
工况号
1
2
3
4
5
6
发动机转速
中间转速
怠速
负荷（%）
100
75
50
25
10
0
权重系数
0.09
0.2
0.29
0.3
0.07
0.05
G2循环（非手持式发动机额定转速应用场合）
工况号
1
2
3
4
5
6
发动机转速
额定转速
中间转速
怠速
负荷（%）
100
75
50
25
10
0
权重系数
0.09
0.2
0.29
0.3
0.07
0.05
G3循环（手持式发动机应用场合，亦适用于FSH1类发动机）
工况号
1
2
发动机转速
额定转速
中间转速
怠速
负荷（%）
100
0
阶段Ⅰ
权重系数
0.90
0.10
阶段Ⅱ
权重系数
0.85
0.15
2.3耐久性试验需测量的参数
这次开发的耐久性台架选用交流电机并入电网发电，有些参数可通过发动机拖动电机发电后电流的参数反映出来并省去传感器的布置，简化台架设计并提高台架可靠性，但有些参数如各处温度等仍需布置传感器来解决。
2.3.1转速n
交流发电机由于交流电存在频率这一特性，能够比较简单地通过计算得到发动机的转速，但由于试验台的工作情况不同于发电机组，发动机在不同工况下有不同的转速，所以选用交流发电机并入电网的难度就会增大（需要交流转直流再通过逆变得到符合电网要求的电流），因此仍采用直流发电机，则发动机的转速依靠霍尔传感器得到。
2.3.2功率Pe
发动机的功率同样可以通过发电机的输出功率计算得出，但是，由于各种损耗，发动机的有效功率不可能等于发电机的输出功率。
同时，发电机的额定转速同发动机有差异，这就需要在发动机和发电机之间有可能需要一个转速调节的装置。
所以，发动机有效功率同发电机输出功率之间的关系：
P0=η1η2Pe
式（2.1）
P0为发电机输出功率（KW）、η1为发电机的发电效率、η2为传动装置在动力传动的过程中的功率损耗而存在的传动效率、Pe为发动机有效功率（KW）。
2.3.3转矩Tq
通常发动机试验中，扭矩的测量利用力矩的原理，通过测功机浮动外壳的测点受力大小和与轴心的距离来测量发动机的扭矩。
但由于耐久性试验中，发动机运行时间长，测功机无法达到耐久性试验的要求，因此选用直流发电机来消耗发动机功率。
所以，扭矩就不予直接测量，而是通过已得到的转速和功率来计算出来[8]。
Tq=9550Pe/n
式（2.2）
2.3.4温度T
耐久性试验需要对发动机各部分温度进行监测，需要测量的温度主要有：
①机油温度
②进排气温度
③火花塞温度
④缸体温度
2.3.5其他
除了以上需要测量的数据，还需要安装爆振传感器来监测发动机是否存在爆振，并记录试验时的大气环境。
同时，由于一些新的计算发动机耐久性的方法出现，应能使台架有一定的空间、条件安装其他传感器[9-12]。
第3章耐久性台架的主要设计
本试验台主要设计部分包括：
发动机夹具、连接部分的设计、发电机固定[13]。
3.1台架能量流动
耐久性试验持续时间长，对发动机、传动部分、测功机（发电机或其他能量消耗装置）均有较大的考验。
持续的油耗产生的能量如果不经过合理的利用或耗散不利于试验的正常进行。
因此，设计台架必须能够合理的确定发动机能量的使用方案。
通常的发动机台架系统由测功机来消耗掉发动机产生的机械能，它们或转变成热能（水力测功机、电涡流测功机等），或转变成电能（直流/交流电力测功机）。
其中转化为电能的方案符合节能环保的原则。
由于测功机的扭矩测量部分不能够承受太长的实验时间，因此本耐久性试验台架选用发电机来消耗发动机的功率。
本台架采用直流发动机发电的方案，详见3.3发电机选型部分，能量流动方案如下：
图3.1发动机能量转化图
选用将电能并入电网的方案，主要是考虑散热系统的布置较复杂，同时重庆在冬季不需要室内供暖，学校也没有澡堂可以利用热能。
因此从能量利用来说，转化为电能比较合理。
同时，电网可以看做一个功率可调的用电器，这也比利用电阻模块或其他用电器消耗电能的方案相对简易，也能够简化台架设计的工作量。
3.2台架适用发动机
本台架以5KW为设计功率，适用于5KW以下小型通用发动机，下文有需要用到具体型号发动机时均用168F发动机为例。
3.3发电机选型
发直流发电机与交流发电机为发动机的两大分类，分类的依据由发出的电流决定。
交流发电机主要为同步发电机；交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。
直流发电机可根据有无换向器分为两类。
与直流发电机相比，交流发电机具有结构简单、维护方便、转动惯量小等优点，单机功率高很多，容易实现高压、高转速[14]。
但直流电机在调速性能方面仍存在优点[14]。
本次开发试验台，考虑到发动机转速并不像发电机组那样转速恒定，如果采用交流发电机消耗功率，交流电的频率会有变化，这样将电流并入电网有较大困难，并且直流发电机在调速方面有优势，所以本次设计采用直流发电机，将电流通过稳压模块后输入逆变器直接并入电网。
直流发电机按照励磁方式分为自励直流发电机与他励直流发电机，自励直流发电机中又包括并励直流发电机、串励直流发电机、复励直流发电机。
台架由于需要发电机参与发动机的工况控制，因此这里采用他励直流发电机[15]。
由于有单独的电源对励磁绕组供电，使得励磁绕组的工作不受发动机转速的干扰，更加容易控制工况。
本台架选用7KW直流他励发电机（励磁绕组回路端电压24V），针对发动机设置了一定的储备功率，保证发电机不会超载，能够和发动机良好匹配。
3.4发动机与发电机的连接
连接部分承担着动力传动和动力方向调整的功能，连接部分的设计效果直接影响着台架的工作，保证连接部分的正常工作设计台架的重要部分。
连接部分通常有以下几点要求：
①能够满足动力传动的要求，具有较高的效率。
②能够在发动机工作的时候，具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振的作用。
保证试验的正常进行。
③简易安装，易调节。
④具有长时间工作的能力。
连接部分的具体设计详见第四章。
3.5发动机支撑部分的设计
支撑部分一方面要求发动机能够良好地固定在试验台上正常工作，另一方面还要求隔离发动机发出的振动。
发动机的长期、持续振动，不仅会引起发动机本身零部件的可靠性降低和耐久性减小，而且还会影响周围试验设备正常工作，降低其灵敏度和精确度。
同时振动和振动的产生噪音影响试验人员的人体健康，降低工作效率。
因此有效的隔离发动机振动也是发动机支撑部分设计一个重点[16]。
发动机支撑部分设计详见第五章。
3.6发动机的工况控制和发电机的标定
3.6.1发动机的工况控制
发动机的工况稳定需要供油系统和负荷的共同调节才能实现，[17]它表现在发动机的输出扭矩与发电机的制动扭矩平衡（当然中间的传动装置会有损耗）。
因此，想要达到标准中要求的发动机工况，需要对发电机端进行必要的控制。
发电机的扭矩大小与通过励磁线圈的电流大小有关，因此，调节励磁线圈的电流大小就能够控制发动机的负荷。
所以，发动机的工况靠对供油量和发电机励磁线圈的控制来实现。
3.6.2发电机标定
发电机同内燃机一样，在不同的工况下有不同的发电效率，其发电效率会随着转速的变化而改变，因此，若需要能够正确的确定发动机的有效功率，就需要对发电机的发电效率进行标定，使得每个发动机工况下有已知的发电效率对应，这样才能够得到正确的发动机功率值。
发动机的工况控制和发电机的标定的详情见第6章。
第4章连接部分的设计
4.1传动与联轴器
将发动机与测功机连接，并实现动力传递是设计台架的重要部分。
通常的传动方法有齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动和联轴器传动[18]。
4.1.1齿轮传动
齿轮传动有很多优点：
传递功率大，效率高；运转平稳，工作时间长，有较好的可靠性。
但齿轮传动对精度要求较高，需要有较高的工作条件（如要求足够的润滑）。
对于台架的工作条件，较大的中心距不能满足闭式传动的条件，发动机的高速转动不能满足开式传动的工作条件。
同时发动机转动中不可避免出现振动，齿轮传动要求的高精度定位不易实现。
4.1.2蜗杆传动
蜗杆传动能够在较小的范围内实现较大的传动比，同时工作平稳因此在机床等机械中广泛存在。
但是蜗杆传动依靠蜗杆拨动蜗轮达到动力传输的目的，摩擦大、效率低，使用成本高。
4.1.3带传动
带传动的原理就是依靠两个动轮分别与皮带的摩擦力，将动力由主动轮传递到从动轮。
带传动拆装简单，适用范围广，有多种类型可供广大设计者选用。
对于本设计而言，带传动所占空间小，易布置，更符合发动机实际使用场合。
4.1.4链传动
链传动在各处有广泛的应用，如自行车、摩托车的动力传动；汽车发动机的正时链条。
链传动的主要优点是：
①不会产生滑动与打滑，能够保证传动比
②不需要太大的张紧力，对轴的压力小
③对工作环境的要求低，能够在恶劣的工作环境下保持较高的可靠性。
④相比齿轮传动，链传动的精度要求较低；其传动结构简单，适合中心距较大的场合。
链传动的主要缺点是：
工作中冲击明显，有跳动；产生的噪音较强。
4.1.5联轴器
联轴器在发动机试验台架中有广泛的应用，通过双万向联轴器将发动机飞轮同测功机转子连接起来，达到动力传输的目的。
弹性联轴器有较高的适应性，对安装精度要求较低，并且能够吸收一定的冲击，适合在台架试验中应用。
联轴器大都已标准化，可根据设计参数选用合适的类型；再进行计算，然后按照标准选出所需的型号和尺寸。
在确定具体的型号钱要对相关部件进行强度校核。
4.2连接方式的确定
经过多方面的综合考虑，本次设计的台架采用带传动的方式将发动机动力输出到发电机端。
其原因主要有以下几点：
①节省空间。
联轴器的连接需要发动机和发电机的轴处在同一轴线，而采用带传动可以使这两个州平行布置，更加充分利用试验室空间。
②简化台架支撑部分设计。
采用带传动的方式，发动机只需在一个方向上的调节，使得带传动系统中主动轮与从动轮在同一平面上就足够，而通过联轴器连接的方案需要发动机在三维上都能够调节才能保证试验的正常连接。
因此，再设计台架的夹具时仅需考虑发动机在一个方向上的移动即可，简化夹具的设计的同时也可以提高台架的刚度。
③更符合小型机实际使用情况。
小型汽油机在实际使用时大部分也是通过带传动来拖动，做耐久性试验采用这种传动方式更能够真实反映出发动机在实际使用过程中的耐久性。
④更能适应发动机的振动。
带传动仅需皮带在主、从动轮上施加足够的压力就能够起到传动的效果，发动机与发电机的连接是一种柔性连接。
并且安装了自动张紧装置的传动系统具有一定的弹性，能够适应发动机振动带来的相对位移，可缓和冲击，可以更好地保护发电机部分不受发动机振动的影响。
齿轮传动、链条传动和联轴器连接都不能达到带传动的效果。
⑤易安装。
由于仅需要考虑发动机在一个方向的调节，能够节省发动机在台架上安装拆卸的时间。
同时皮带的安装也较其他传送装置简便。
⑥能够保护发电机及其他零件。
带传动中若出现过载，带与带轮之间会出现打滑，打滑虽导致传动失效，但可防止损坏台架其它零件。
4.3带传动的选型、参数确定
4.3.1带传动选型
摩擦类传送带可分为平带、V带和特殊截面带（按横截面积形状）。
此外还有啮合型传送带，如同步带[18]。
从耐久性试验的各方面要求来看，耐久试验试验台选用普通V带进行设计，原因如下：
①从传递功率大小来看，V带比平带更适合；在传递相同功率的情况下V带，V带对轴的压力较小；而且小型发动机实际使用场合大多也选用V带，因此更贴近实际
②V带应用广泛、各个性能都已标准化，使用方案成熟，方便选型
③V带相对特殊截面带来说，购买、使用成本低
④V带有普通V带和窄V带之分，普通V带传递功率较低、但能满足较高的带速，对于小型发动机这种运转速度较快的机械，更适合。
4.3.2带传动原始参数的确定
试验台的设计要求为：
①试验台适用于额定功率为5KW以下小型通用汽油机。
②小型汽油机额定转速多为3600r/min。
③发电机额定转速为3000r/min。
④需要自动张紧装置。
⑤中心距不能太小，有足够空间调整发动机位置。
4.4参数确定及其计算过程
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