浅谈柴油机FEAD系统设计与分析方法
柴油机机体分析方法
柴油机机体分析方法现代产品的设计与制造日益朝着高效、高速、高精度、低成本、节约资源和高性能等方面发展，传统的试验、计算分析方法不能满足要求。
在柴油机的零部件中，机体的结构和受力是比较复杂的，因此柴油机的机体设计有较大难度。
机体的设计通常要经过设计、加工、分析、试验和再设计过程，存在工作效率低、生产周期长等问题。
综合利用各类分析方法、借助计算机技术可以缩短机体的分析、试验过程，为再试验提供可靠的参数支持，从而优化产品设计达到节约成本的目的。
各类分析方法探究该课题研究国内外机体的分析方法，探究最优的机体分析方法，以保证柴油机的机体在工作过程中的可靠性和耐久性，达到柴油机机体的优化设计。
下面对机体的各种分析方法进行归纳。
静力分析和构件承载能力分析在各种结构分析类型中，静力分析是最简单的形式。
静力分析主要从静力学(静力平衡条件)、几何学(位移协调条件)、物理学(胡克定理)三方面对结构进行分析，对应的力学知识主要为材料力学、结构力学、弹性力学等。
对于发动机各零部件来说，材料力学、结构力学、弹性力学的基本任务是分析各种结构物或其构件在弹性阶段的应力和位移，校核它们是否具有所需的强度和刚度，并寻求或改进它们的计算分析方法。
静力分析和构件承载能力分析主要研究机体力系的简化以及机体在力系作用下平衡的普遍规律，机体受力作用后所发生的变形，以及介绍机体内力、应力和强度、刚度、稳定性计算的基本理论和方法。
静力分析很适合于求解机体惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的问题。
静力分析能够分析机体稳定的惯性力(如机体重力)和能够被等效为静载荷的随时间变化的载荷作用下机体响应的问题。
动力学分析法动力学分析根据载荷形式的不同和所有求解的内容的不同我们可以将其分为：模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析和谱分析。
1 模态分析20世纪60年代以快速傅里叶变换(FFT)为代表的数字信号处理技术、参数识别方法以及小型计算机发展的基础上，模态分析方法应运而生，并获得了广泛的应用。
柴油机前端附件驱动系统动态模拟仿真分析
Ａ ｓｒｃ： ｙ ａ ｃｓ ｌｔ ｎｏｔｅ ｒｎ ｅ ｄａｃｓｏｙ ｒ ｅ ｙｔｍ（Ｅ Ｄ ｓｓ ｍ ｏ ｄｅｅ ｅ ｇ ｅ ｂ ｔ ｔＤ ｎｍｉ ｉ ａ ｏ ｆｈ ｏ ｔ ｎ ｅｓｒ ｉ ｓ Ｆ Ａ ｔ ）ｆ ｉ ｌ ｎ ｎ ａ ｍｕ ｉ ｆ ｃ ｄｖ ｓ ｅ ｙｅ ａ ｓ ｉ
现代汽车发动机前端附件驱动系统 （ｒ ｔ ｎ Ｆｏ ｄ ｎＥ
Ａ ｃｓｏｙＤ ｖ ｃｅｓｒ ｒ ｅ系统 ，简 称 Ｆ Ａ 系统 ） 设 计 日趋 ｉ ＥＤ
复杂 ，同时发动机对轮系的要求也越来越高。轮系 设计 的优劣 ，将直接影响发动机附件的性能及其可 靠性 ，进而影响到整机 、整车 的技术性能＿ ｌ ｌ 。而许 多传统 的轮系质量问题 比较多 ，如皮带啸叫 、异常 磨损 ，张紧轮失效 ，附件支架断裂等。因此 ，发动 机前端附件驱动系统的设计，已逐渐受到世界上各 大汽车公司及发动机生产商的高度重视。
ｗ ｓ ａ ｍａ ｅ ｂ ａ ｓ ｆ Ｓ ＭＤＲＩ ．Ｓ ｉ ｐ ｇ ，ｂ ｌ ｐ ｎ ｖｂ ａｉｎ ｅ ｓ ｎ ｒ ｖｂ ａｉｎ ａ ｈ ｕ ｅ ａ ｄ ｄ ｙ ｍｅ ｎ ｏ Ｉ ＶＥ ｌ ａ ｅ ｅ ｔ ａ ｉ ｒ ｔ ，ｔｎ ｉ ｅ ｉ ｒ ｔ ｍｐ ｔ ｄ ｎ ｐ ｓ ｏ ｏ ｏ ｈ ｂ ｏ ｄ ｎ ａ ｃ ｓ ｏ ｙｐ ｌ ｙ ｒ ａ ｃ ｌｔ ｄ ｂ ａ ｓｏ ｍｕ ａ ｉｎ Ｔ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ｆ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ａ ｕ ｌａ ｓｏ ｃ ｅ ｓ ｒ ｕｌ ｓ ｅ ｗｅ ｅ ｃ ｌ ｕ ａｅ ｙ ｍｅ ｎ ｆ ｉ ｌ ｔ ． ｈ ｌ ｓｓｏ ｅｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｓｔ ｔ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｔｅＦ ｈ ＥＡＤ ｓ ｓ ｍ ｆ ｈ ｎ ｉ ｅ ｃ ｎ ｃ ｍｐ ｅｅ ｙｍｅ ｔ ｅ ｉｎ ｒ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｙ ｔ ｏ ｅｅ ｇｎ ａ ｏ ｌ ｌ ｅ ｓｇ ｕ ｒ ｅ ｔ ｔ ｄ ｅ ｅ ｎ。
柴油机燃油系统分析论文
柴油机燃油系统的分析概述柴油机是一种压缩式发火的内燃机，通过把热能转化为机械能的一种动力机械。
它的基本工作原理是燃油直接在机体的气缸中燃烧，将燃油的化学能转化为热能产生高温高压的燃气，高温高压的燃气膨胀做功，推动活塞运动，通过曲轴连杆对外做功，从而将燃油燃烧产生的热能转化成机械能。
柴油机相比于蒸汽机热效率高，经济性好，机动性好，因而对传播有很大的适应性，自问世以后就很快被作为船舶的推进动力。
起初，柴油机用空气喷射燃料，燃料的雾化质量无法的得到保证，并且附属装置庞大笨重，只能用于固定作业。
20世纪中期增压及增压中冷技术的研发成功，使柴油机性能获得新的飞跃。
20世纪70年代开始，电子技术引入柴油机控制系统，又是柴油机的一次重大技术革命，把柴油机的性能指标提高到一个新的水平。
柴油机燃油系统是柴油机的心脏。
低速、中速和高速柴油机都是利用高压将适量燃油在上止点前的适当角度喷入燃烧室,以提高柴油机的热效率并降低废气排放。
在对新型和老型柴油机升级改造的过程当中,对燃油系统的设计必须提出更高的要求。
关键词：柴油机柴油机燃油系统喷油泵调速器喷油器燃油系统的组成和要求1燃油供给系统的分类燃油供给系统在柴油机的发展过程中经历了很长时间的演变，现在出现了各种不同类型。
现代的柴油机主要采用机械喷射系统，其中以喷油器与喷油泵用高压油管连接的供油系统应该最为广泛。
另外，也有一些喷油泵与喷油嘴一体的供油系统，近年来出现了一些新型的供油系统，如高压燃油共轨喷射系统。
2供油系统的基本组成柴油机燃油系统由进、回油管路、调压阀、燃油精滤器、喷油泵、喷油器和高压油管、等组成。
燃油系统的油路组成，可以分为低压油路和高压油路，如图所示低压油路主要由燃油精滤器和进、回油管路以及调压阀等组成，与机车燃油回路一道起着储油、供油、回油、滤清、预热和调节等辅助作用。
高压油路由喷油泵、高压油管、喷油器等部件组成。
3供油系统的基本作用、要求燃油系统的作用是将一定数量的洁净燃油，以足够的压力，严格按照喷油定时，在规定的时间内以良好的雾化状态喷入气缸，与燃烧室内的压缩空气相互混合形成均匀的混合气体，保证气缸内燃烧的进行，以实现柴油机在功率、扭矩、转速、油耗、噪声、排污以及启动和怠速等方面的要求。
柴油机性能模拟及其配气系统优化
柴油机性能模拟及其配气系统优化柴油机作为一种重要的内燃机，广泛应用于交通运输、工程机械、发电等领域。
在其运行过程中，柴油机性能模拟及其配气系统优化是提高其运行效率和降低污染排放的重要手段之一。
一、柴油机性能模拟柴油机性能模拟是对柴油机工作流程进行仿真分析，以求得其运转性能指标，如功率、热效率、排放等。
模拟方法主要包括理论计算和实验测试两种。
1.理论计算理论计算是采用柴油机流体力学、热力学和燃烧理论等知识，对柴油机工作过程进行分析和计算，以预测柴油机的性能指标。
常用的计算方法包括有限体积法、有限元法、混合Lagrangian-Eulerian方法等。
有限体积法是一种广泛应用的计算方法，其基本思想是在柴油机工作过程中，将工作空间划分为离散的体积元，然后利用流体运动和能量传递的方程式进行数值计算。
该方法可以较准确地预测柴油机的燃烧过程和排放水平，但需要大量的计算资源和较高的计算软件技能。
2.实验测试实验测试是通过柴油机试验台进行实际测试，收集柴油机工作时的各种参数，如转速、扭矩、功率、温度、压力等，以求得柴油机的性能指标。
常用的测试方法包括摩擦片式、架空轮式和液力测功机等。
液力测功机是一种比较精确的测试方法，其基本原理是通过液力耦合器将发动机的输出转矩传递到负载轮上，测量轮上的扭矩和转速，以求得柴油机的功率输出和燃油消耗量。
二、柴油机配气系统优化柴油机配气系统是指将进气和排气阀门的开启时间、持续时间和关闭时间等参数，根据柴油机运作条件进行合理优化，以提高柴油机的经济性、动力性和排放水平。
1.利用实验测试优化配气系统实验测试是优化柴油机配气系统的重要手段之一。
对于现有的柴油机，在某些特定工况下，运用试验台测试进行精准调节，可以改善配气系统的峰值输出功率、燃油效率和排放性能。
2.利用数值模拟优化配气系统除此之外，数值模拟也是柴油机配气系统优化领域的研究热点。
通过计算机仿真，可以对柴油机的运转过程进行模拟，探究不同配气系统参数对柴油机性能的影响，以寻找经济性和效率的最佳匹配点。
柴油车电气系统的设计方法
柴油车电气系统的设计方法柴油车电气系统是整个车辆电气系统中的一个重要组成部分，其设计的合理与否直接关系到车辆的使用可靠性、维修保养成本和行车安全。
下面，本文将从需求分析、选型设计、布线设计、维护保养等方面介绍柴油车电气系统的设计方法。
需求分析是柴油车电气系统设计的第一步，在进行设计前，需要对整个系统进行需求分析，明确系统应具备的功能和性能，例如车辆起动、照明、音响设备、空调等等。
同时考虑车辆的使用环境和工况，为各种情况下的电气系统安全使用打下基础。
另外，需求分析还需要考虑到成本因素，合理控制成本，确保电气系统的设计符合车辆的使用需求同时又不会过于昂贵。
通过需求分析，可以明确电气系统在设计中所要满足的各种条件和要求。
选型设计是电气系统设计中的重要部分，不同元器件的选型不仅会直接影响到电气系统性能，还会影响到成本和使用寿命等方面。
在选型阶段需要详细了解汽车电气元器件的特性、性能和相应的标准，更好地合理选用合适的元器件。
例如，选择合适的电池、发电机、按键开关等等，不仅涉及到功率与电压的匹配，还会对电气系统的工作稳定性、耐久性和维护保养带来影响。
布线设计是柴油车电气系统设计过程中十分重要的一部分，在设计阶段应当考虑到布线的与元器件的匹配、布局、绝缘和安全性等要素。
如果布线不合理，会直接影响到电气系统的正常工作。
因此，设计者应当注重布线的细节，同时遵循一些基本原则，如尽量采用金属导线，避免使用铝线等等。
布线和电气连线的规格与质量必须满足标准的要求，关注一些危险因素例如高温、潮湿、震动等，使整个柴油车电气系统在正常使用下长期保持稳定。
维护保养是柴油车电气系统设计的关键一环，将直接影响到使用寿命和可靠性。
在维护保养阶段，设计者应当定期检查电气系统，保证电气系统各器件、导线和接口固定可靠、接触良好、没有损坏或无法使用，同时，需要随时清理电气系统中的灰尘或污垢，防止积聚物对电气系统产生不良影响。
对于发现的问题，需要及时修理或更换问题元器件以保证电气系统正常工作，延长电气系统使用寿命和可靠性。
柴油机活塞有限元分析
图1 1/4活塞有限元模型■ 武汉大学/徐 辉柴油机活塞有限元分析有限元分析步骤分为三维模型制作，导入C AD 模型，设置材料属性，设置接触状态，设置边界条件，设 置求解类型、约束和载荷，指定输出结果，分析处理计 算结果。
本文通过柴油发动机性能摸底获取了发动机实际 运行中的缸内燃烧爆发压力18M P a ，假设活塞顶面最 高运行温度为375℃，发动机额定功率和转速为254k W / 1900r·mi n －1，最大转矩为1635N·m/1200r·mi n －1，用以上 数据作为FE A 分析的边界条件进行分析。
边界条件的处理边界条件处理是否合理直接影响计算结果是否精确。
对于高升功率和高燃油喷射压力的柴油机，进行燃 烧模拟估算进入缸套的热流量能够为有限元提供很好的 输入，但是通常供应商不具备这个能力，他们通常是参 照同等机型活塞开发的经验数据，对比机型的升功率、 燃烧爆压、燃烧室形状、换热系数，然后给一个相对合 适的输入。
当然，要想准确获得各个表面的换热系数十分困 难。
通常是在已有的经验公式基础上计算获得一个近似 值，然后通过多次计算，根据已有的试验数据再进行调 整。
也就是说，在进行过渡工况的温度场计算前，先要 进行几次稳定工况的温度场计算，以此验证边界条件是 否恰当。
实际上采用温度塞获取的温度场数据更真实，然后 再用温度场获得的数据修正有限元的分析并最终优化活 塞的设计是必要的。
模拟最坏的情况（最大功率、额定转速、最大爆压 18MPa 、最大测量温度）作如下条件假设：（1）只考虑温度。
（2）同时考虑温度和额定转速下产生的惯性力。
（ 3 ）考虑温度、惯性力和侧向力（曲轴转角 117°）。
（4）考虑温度、惯性力、爆压和侧向力（曲轴转 角250°）。
（5）考虑温度、惯性力、爆压和最大副推力侧侧 向力（曲轴转角344°）。
（6）考虑温度、惯性力、峰值爆压和侧向力（曲 轴转角367°）。
车用柴油机冷却系统的CFD分析
第21卷(2003)第2期 内 燃 机 学 报T ransactions of CSICE Vol.21(2003)No.2文章编号:100020909(2003)022*******212026车用柴油机冷却系统的CFD 分析Ξ刘巽俊1,陈 群1,李 骏2,李 康2,陈海娥2(1.吉林大学汽车工程学院,吉林长春130025;2.一汽集团公司技术中心,吉林长春130011)摘要:利用计算流体力学商用软件FLU EN T 对CA498柴油机的冷却水套进行了模拟,给出了整机冷却水套内冷却液的流场、传热系数分布和压力损失。
水套总压力的计算结果为40kPa 。
气缸盖水套保证水流速度高于0.5m/s ,冷却良好。
气缸体水套结构需要改进,以清除局部冷却液死区,进一步改善冷却均匀性。
机油冷却器冷却水腔的流动保证了足够的传热系数。
关键词:柴油机;冷却水套;CFD 分析中图分类号:T K424.21 文献标识码:A引言 随着世界范围内汽车行业竞争的日益激烈,生产厂家需要不断推出新产品和完善现有产品来占领市场,这就要求在缩短设计和改进设计周期的同时提高设计精度和产品的可靠性。
以往采用的针对不同设计方案分别试制样机、再进行试验分析后才能确定设计方案的模式已经无法满足市场需要[1]。
要实现上述要求,必须充分利用计算机资源和不断完善的物理模型,用模拟分析来指导设计工作。
计算流体力学(Computational Fluid Dynamic ,简称CFD )是目前用于解决三维流动问题的重要手段[2],以往需要通过大量试验得到的流动信息可以通过模拟计算获得。
与试验数据相比,计算结果的准确性和可靠性是令人满意的[3],而且可以节省大量的时间。
冷却系统是影响发动机可靠性、排放和性能的重要因素,冷却系统的优化设计是发动机设计过程中的一个重要环节。
近年来,CFD 成为发动机冷却系统设计中的强大工具。
本文利用FL U EN T 软件对CA498柴油机的冷却水套进行了CFD 模拟,给出了冷却水套内冷却液的流场分布情况,并对热负荷较高的燃烧室、排气道周围和缸体上半部分区域的冷却情况以及整个系统内的压力损失进行了分析评价。
某柴油机前端附件驱动系统的动态仿真和实车测试研究
某柴油机前端附件驱动系统的动态仿真和实车测试研究王孝权1陈霖强2姚建明2(1.上海内燃机研究所有限责任公司,上海200438;2.上汽集团商用车技术中心,上海200438)摘要:发动机前端附件驱动(F E A D)系统是汽车发动机上重要的子系统之一,对发动机的性能有着重要的影响㊂通过对某柴油机F E A D系统进行动态模拟仿真和实车测试分析,得到了该系统在仿真和实际应用中全负荷工况下各动态特性参数随发动机转速的变化规律㊂通过结果分析,该柴油机F E A D系统符合工程设计要求,对实际的工程开发应用具有一定的指导意义㊂关键词:前端附件驱动;动态模拟仿真;实车测试0前言发动机作为汽车传统动力的来源,是所有的零部件及系统最重要的组成部分之一㊂发动机前端附件驱动系统(F E A D)是发动机负责驱动这些附件的系统,它以曲轴为输出动力,通过皮带和皮带轮之间的摩擦力将动力传输到发动机上的各个附件㊂现代汽车发动机F E A D系统的结构日趋复杂,需要驱动的附件数量越来越多㊂发动机F E A D系统的设计直接影响着发动机的性能及可靠性㊂F E A D系统若设计不当,在实际工程应用中会出现皮带打滑㊁张紧器失效㊁附件支架断裂,以及前端轮系异响等问题㊂在发动机F E A D系统的设计开发中,面临的最大问题是系统动力学问题[1]㊂由于发动机内部混合燃烧的不稳定性,造成曲轴输出端转速的波动,导致前端附件驱动系统产生较高的动态皮带张力㊁张紧臂摆幅㊁皮带抖动及相关噪声-振动-平顺性(N V H)问题[2]㊂前期的动态模拟仿真可以验证发动机F E A D系统前期设计布局的合理性㊂本文通过对某2.0T柴油机F E A D系统进行动态模拟仿真和实车测试分析,可以预测出该系统在各种极限工况下的各附件轮滑移率㊁各带段的皮带抖动和动态张力㊁张紧臂摆幅随发动机转速的变化情况㊂评估该F E A D系统设计的合理性和稳定性,对发动机F E A D系统的设计和验证评估标准具有指导意义㊂1F E A D系统动态模拟仿真1.1系统建模本文应用的动态模拟仿真软件为S I M D R I V E3D,是1款由德国汽车工业协会(V D A)发起,结合了柏林工业大学30余年的研究成果,为解决当时德国五大整车企业传动系统工程应用中面临的工程问题,由众多机构合作开发的动力学分析软件㊂图1为某2.0T柴油机的发动机前端附件驱动系统平面布局图㊂系统组成包括:曲轴(C R K)㊁空调压缩机(A C)㊁惰轮1(I D L1)㊁发电机(A L T)㊁动力转向泵(P S)㊁惰轮2(I D L2)㊁水泵(W P)和自动机械张紧器(T E N)㊂图1某2.0T柴油机前端附件驱动系统平面示意图S I M D R I V E3D软件中相关附件都是模块化的,可以直接选择相应模型㊂将各个附件轮及惰轮的坐标和尺寸参数输入后,需要对每个附件的单元进行参数设定㊂发电机㊁空调水泵和转向泵的功率消耗随发动机转速变化的数据曲线如图2~图5所示,仿真计算时152020年第4期All Rights Reserved.应考虑所有附件都在全负荷状态下工作㊂各个附件及惰轮的坐标和尺寸参数如表1所示㊂表1 F E A D 系统布置参数名称横坐标纵坐标转动惯量/(k g㊃c m 2)平轮直径/m m节径/m m 有效直径/m m 跨棒距直径/m mC R K 0--167.99165.99166.98A C222.00-129.0020.150-113.30111.30112.29I D L 1156.5029.50-6567.4069.40-A L T 245.0046.0041.800-56.9954.9955.80P S 220.00333.0013.960-127.00125.00125.99I D L 25.00191.00-6567.4069.40-W P-125.71152.776.047-100.0098.0098.99T E N 115.61106.29-6567.4069.40-图2 发电机功率曲线图3 空调功率曲线F E A D 系统动态激励源主要是曲轴的角振动㊂对于4缸发动机来说,主要的激励来自于发动机曲轴的二阶曲轴角振动,该发动机的二阶曲轴角振动曲线如图6所示㊂在该F E A D 系统中应用了发电机单向耦合减振器(O A D ),可以有效地改善大惯量发电机转子对系统振动动态特性的影响,降低系统的振动和噪声㊂在发电机减振器方面,S I M D R I V E3D 软件中的功能模块可以选择莱顿㊁盖茨㊁哈金森等著名轮系供应商的自定义功图4 水泵曲线图5 动力转向泵功率曲线能模块,本次动态模拟仿真选择的是莱顿的O A D 模块㊂在该F E A D 系统的张紧器名义张力为330N ,本次动态模拟仿真于张紧器的名义状态下进行㊂皮带选用6P K 规格的阿拉米线绳多楔带㊂将所有参数模块设置好后,得到的最终完成建模的系统界面如图7所示㊂1.2 动态模拟通过S I M D R I V E3D 软件对以上模型进行仿真计算,可以得到该柴油机F E A D 系统几个关键参数随发动机转速变化情况㊂该系统各附件轮滑移率随发动机转速变化情况如图8所示㊂25 2020年第4期All Rights Reserved.图6 曲轴二阶角振动幅度曲线图7系统建模完成界面图8 各附件轮滑移率仿真计算结果根据行业内的工程设计经验来看,当滑移率小于ʃ3%时,能够保证系统多楔带不发生打滑[3]㊂从图8可以看出,最大的附件轮滑移率出现在曲轴带轮上,最大滑移率达到1.8%㊂从仿真计算结果可知,该F E A D 系统的各附件轮滑移率均符合设计要求㊂该系统各带段皮带抖动幅度随发动机转速变化情况如图9所示㊂根据行业经验值,要求各带段的皮带振动幅度要小于该带段跨长的10%,否则多楔带会产生抖动异响,另外还会与周围边界的零部件干涉,使多楔带发生异常磨损[4]㊂从图9可以看出,最大的皮带抖动幅度出图9 各带段皮带抖动幅度仿真计算结果现在发电机-动力转向泵带段,达到10.1m m ㊂该带段的长度为286.0m m ,在该F E A D 系统中是最长的㊂该带段长度的10%为28.6m m ㊂从仿真计算结果中可知,该F E A D 系统的皮带抖动幅度符合设计要求㊂该系统张紧臂摆幅随发动机转速变化情况如图10所示㊂图10 张紧臂摆幅仿真计算结果关于张紧器张紧臂摆幅的评判标准,行业内供应商普遍要求张紧器在全寿命周期内张紧臂的摆幅始终保持在5ʎ以下,才能保证张紧器的使用寿命满足工程设计要求㊂从图10可看出,张紧臂在发动机怠速低速时摆动幅度较大,这和低转速时曲轴转速波动较大有关,最大摆幅出现在转速1500r /m i n 左右,达到4.6ʎ㊂从仿真计算结果可认为,该F E A D 系统张紧器摆幅符合设计要求㊂该系统曲轴-空压机带段动态张力随发动机转速的变化情况如图11所示㊂该F E A D 系统C R K -A C 带段为系统的最紧边,为系统中受力最大的带段㊂从图11可看出,C R K -A C 带段的张力值在转速1700r /m i n 时的峰值扭矩为2500N ㊂此时该带段的单楔受力为416.67N ,阿拉米线绳可接受的多楔带单楔受力为600N 以内,超出该限值可能35 2020年第4期All Rights Reserved.图11 C R K -A C 带段动态张力仿真计算结果会导致多楔带可能会有断裂的风险㊂所以,根据仿真结果,可以认为该系统的带段最大张力能够满足6P K ㊁阿拉米线绳配置的多楔带的强度要求㊂2 实车测试为了进一步验证该F E A D 系统设计的合理性和可靠性,对发动机前端附件驱动系统进行了实车测试分析㊂实车测量在车辆城市路面工况下F E A D 系统的曲轴角振动㊁各附件轮的滑移率㊁张紧器张紧臂的摆幅㊁C R K -A C 段多楔带的横向振动幅度随发动机转速的变化情况㊂2.1 前期准备本次试验发动机搭载的车辆为某中型宽体客车,手动档(MT )配置,车辆总长为6682m m ㊁总宽为2110m m ,总高为2740m m ,核载人数为13人,如图13所示㊂为了模拟车辆的满载工况,在车辆的座位及后备箱空间装入1000k g 的沙袋㊂本次实车实测试验采用扭转振动和噪声分析系统(R o t e c )测试设备㊂R o t e c 主要用来分析旋转机械的扭转振动㊁噪声等相关问题,可广泛运用于汽车工业的N V H 问题分析㊂本次测试的F E A D 系统各传感器安装位置示意图如图12所示,图13为测试车㊂由于拍摄空间位置有限,有些传感器没有在图中示出㊂2.2 测试结果本次实测测试基于张紧器处于名义状态下进行㊂在测试过程中保持发动机全负荷状态,各附件处于全载模式㊂在模拟城市路况下,从怠速800r /m i n 加速到额定功率转速4000r /m i n 的过程中,测试并记录该发动机F E A D 系统各动态特性参数随发动机转速的变化情况㊂将实车测得的发动机曲轴端转速波动信号转换为图12 传感器位置安装示意图图13 测试车曲轴的扭转振动信号㊂由于测试的发动机为直列4缸柴油机,主要的激励来源于曲轴的二阶扭振,测试系统对应的曲轴二阶扭振随发动机转速变化曲线见图14㊂图14 F E A D 系统曲轴角振动幅度对4缸柴油机来说,主要的激励来自于发动机曲轴的二阶角振动㊂在图14中可明显看出,该发动机在低转速下角振动较大㊂随着转速升高,角振动逐渐降低㊂这是由怠速阶段发动机转速波动较大导致的,但峰值角振动只有3.5ʎ左右,发动机稳定性较好㊂角振动幅度曲线走势与图6输入的曲轴二阶角振动幅度曲线的走向趋势基本一致㊂45 2020年第4期All Rights Reserved.实车测试测得的各附件轮滑移率随发动机转速变化曲线如图15所示㊂图15 F E A D 系统各附件轮滑移率从图15可以看出,最大附件轮滑移出现在空压机带轮上,但是整体滑移率都在1.0%以下,最大峰值滑移率为0.7%左右,其他附件轮的滑移率都在0.5%以下㊂动态模拟仿真与整车实测结果略有出入,这是因为动态仿真模拟的发动机工况与整车实测时存在一定的差异㊂在仿真模拟和实车测试所覆盖到的工况范围内,该发动机F E A D 系统的各附件轮滑移率均小于行业工程设计经验值的3%㊂当F E A D 系统内各个附件轮滑移率都小于ʃ3%时,能够保证系统多楔带不发生打滑,并避免噪声等问题,所以从模拟仿真和实车测试结果可认为该F E A D 系统的设计符合满足工程设计要求㊂实车测试获得的系统张紧臂摆幅随发动机转速变化曲线如图16所示㊂图16 F E A D 系统张紧臂摆幅从图16可以看出,测试系统张紧臂摆幅在发动机转速1600r /m i n 左右出现峰值摆幅为4.3ʎ㊂模拟仿真结果和实车测试上自动张紧器张紧臂幅值有所差异,其原因与上述附件轮滑移率的分析一样㊂工程设计要求对张紧器张紧臂的摆幅要求不超过5ʎ㊂仿真结果和实车测试结果都满足行业工程经验要求值,可认为该F E A D 的张紧器张紧臂摆幅可满足设计要求㊂本次试验测量的是A L T -P S 带段的皮带抖动幅度㊂在工程上比较重视F E A D 系统中最长带段的皮带抖动情况㊂因为带段越长,在发动机正常运转时越不稳定,皮带抖动也越剧烈㊂实车测试测得的A L T -P S 带段皮带抖动幅度随发动机转速变化曲线如图17所示㊂图17 F E A D 系统A L T -P S 皮带抖动幅度以F E A D 系统为平面直角坐标系,规定皮带抖动方向朝着Y 轴正方向为正,朝着Y 轴负方向为负㊂从图17中可看出测试系统A L T -P S 带段皮带抖动幅度在发动机转速1800r /m i n 左右出现峰值幅度为14m m ㊂在动态模拟仿真中,A L T -P S 带段皮带抖动幅度峰值达到10.1m m ,与实车测试结果差异不大㊂横向振动幅值占带段总长度百分比在最小限值范围内(10%)㊂从模拟仿真和实车测试结果可认为,该F E A D系统的带段横向振动幅度设计满足工程实际要求㊂3 结论本文通过S I M D R I V E3D 软件对某柴油机F E A D 系统进行了动态模拟仿真分析,模拟计算出该F E A D 系统在极限工况下各附件轮滑移率㊁各带段皮带抖动幅度㊁张紧臂摆幅和曲轴-空压机带段动态张力随发动机转速的变化情况,并对模拟仿真结果进行了分析评价㊂通过动态模拟仿真,可认为该F E A D 系统的前期布局符合设计要求㊂利用R o t e c 测试设备对搭载该柴油机F E A D 系统的某中型宽体客车进行了实车测试㊂实车测量了车辆55 2020年第4期All Rights Reserved.在城市路面工况下F E A D系统的曲轴角振动㊁各附件轮的滑移率㊁张紧器张紧臂的摆幅㊁C R K-A C段多楔带的横向振动幅度随发动机转速的变化情况,并对测试结果进行了分析评价,同时与动态仿真结果进行了对比分析㊂实车测试结果认为该柴油机F E A D系统符合工程设计要求㊂综上所述,动态模拟仿真可以验证发动机F E A D 系统前期静态设计的合理性,缩短设计开发的周期和成本㊂实车测试是对发动机F E A D系统前期静态参数设计的实际验证,实测的结果为前期理论分析和模拟动态仿真提供了科学的试验数据支撑㊂参考文献[1]张毅.蛇形带传动系统动力学的研究[D].西北工业大学,2007.[2]T A K A G I S H IH,Y O N E G U C H IH,S O P O U C H M,e t a l.S i m u l a-t i o no f b e l t s y s t e md y n a m i c s u s i n g am u l t i-b o d y a p p o r o a c h:a p p l i c a-t i o n s t o s y n c h r o n o u s b e l t sa n d V-r i b b e d-b e l t s[C].T a g u n g"Z a h n r i-e m e n g e t r i e b e",T e c h n i s c h eU n i v e r s i t a tD r e s d e n,D e u t s c h l a n d,2005.[3]屈翔,张君,廖林清,等.一种皮带传动中滑移率和传动效率的简化计算方法[J].机械设计与制造,2011(7):46-48.[4]F U J I IA,Y O N E M O T O S,M I Y A Z A K IK,e ta l.A n a l y s i so f t h ea c c e s s o r yb e l t l a t e r a l v i b r a t i o n i na u t o m o t i v ee n g i n e s[J].J S A E R e-v i e w,2002,23(1):41-47.主管单位 上海汽车集团股份有限公司主办单位 上汽大通汽车有限公司 上海内燃机研究所有限责任公司All Rights Reserved.。
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浅谈柴油机FEAD系统设计与分析方法
柴油机FEAD系统即发动机前端轮系辅件驱动系统，主要用于发动机曲轴动力输出驱动诸如发电机、空调压缩机等发动机附属设备，满足车辆、船舶的电力供应和制冷需求，FEAD系统设计的优劣对整机电力、空调制冷产生着至关重要的影响，因此对FEAD系统的结构设计、参数计算、CAE分析很有必要。
【Abstract】The FEAD system of diesel engine is the front end accessory drive system of engine，mainly used for crankshaft power output of engine to drive such as generators，air conditioning compressor for engine accessory equipment，to meet the demand of power supply and refrigeration on vehicle and ship，The quality of the FEAD system design has a crucial impact on the whole electric power and air conditioning. So for the FEAD system，structure design，parameter calculation and CAE analysis are very necessary.
标签：FEAD系统；结构设计；CAE分析；静动态计算
1 概述
FEAD系统的目的就是利用曲轴前端动力驱动发动机的外围辅件，如发电机、空调压缩机等，以便于满足车辆或者船舶的蓄电池电力和驾驶舱制冷需求，是发动机重要的应用设计。
设计初期需要关注整体结构边界条件，考虑总体设计方案，选择皮带传动同时需要考虑皮带结构的选型，前段轮系系统属于高速运动系统，需要动态情况下考虑皮带的张紧方式、滑移率、振幅、带轮包角、张紧器摆幅等一系列影响因素。
确保整个系统在理论设计初期和理论计算模拟时满足既定要求。
当然如此复杂的动态系统，不仅需要考虑上述自身系统的合理性，而且还需考虑与此系统相关的各个辅件支架的强度和模态，可以采用有限元方法进行CAE分析。
2 设计输入
论文选用一款直列六缸，排量7.2L，采用多楔带驱动，自动张紧方式，并加装空调压缩机的重型卡车用柴油机FEAD系統。
3 FEAD系统边界检查和整体结构设计
通过对发动机整机前端和整车发动机舱等零件的三维模拟和边界检查，主要在UG三维软件的帮助下通过对系统相关零件的三维模型建模得出初步的总体布置结构，确保最基本的空间要求，总体布置原则即是避免干涉、结构紧凑[1]。
系统的总体结构包括曲轴皮带轮、发电机、空调压缩机、自动张紧器、惰轮。
需
要满足预定设计目标，设计目标如下：
基于上述标准要求并结合初步经验分析设计出的轮系结构，如图1所示：
曲轴皮带轮是动力输出来源，设计原则上皮带包角必须大于180°，其余槽轮包角要求在120°以上，方可满足功率传输要求，平轮包角不做过高要求。
柴油机曲轴皮带轮逆时针转动，通过皮带这个载体给各个辅件输送功率，并通过软件计静态算出每个零件的受力方向和受力大小。
通过经验分析，初步判定结构满足既定设计目标，但仍然需要通过模拟精确计算系统布置的合理性。
通过初步确定的坐标原点，初步定义各个带轮的坐标位置，通常取曲轴皮带轮为原点；确定各个带轮的外径、基准直径、基准宽度、上下槽深、槽宽等数据，用以进行下步的静态计算，通过三维建模计算得知此坐标数据选取、带轮直径选取、带轮间跨度、多楔带包角，传动比均在设计要求范围内。
计算同时给出了限制条件，即各带轮之间的对楔度要求，设计者需要遵循这一要求开展下一步详细设计工作。
4 FEAD系统动态仿真计算和详细设计
确定了各项系统的主要参数，并为后续的动态模拟计算提供了数据输入，在三维分析软件SIM-Drive的帮助下建模，输入预定数据得出动态分析结果，根据动态分析结论可知：转速850Rpm时，皮带张力1040N；带段抖动≤5%，无干涉情况；皮带滑移率≤0.5%；使用寿命综合估算在20万km至30万km，均满足预定设计范围和标准。
[2]
确定了总体设计方案和理论计算数据之后，下一步进行系统的结构设计的零部件清单，此案例需要设计的主要为系统安装支架，主要作用用来支撑系统各个部件。
需要考虑以下问题和注意事项：
①安装支架的安装位置和方式；
②空调压缩机的倾斜角度要求；
③自动张紧器的安装定位；
④安装支架需要合理布置和设计加强筋；
⑤安装支架各带轮安装面的尺寸公差必须合理；
⑥各带轮轴承的选型要合理。
基于以上的注意事项完成详细三维设计工作，二维生产图纸绘制之前，相关零件的还需经过CAE软件的分析进而得知零部件的强度和模态如何，如果理论分析计算未通过，则需要及时改进先前的设计，避免产品在实际运用中造成失效，
数据与经验相结合是最好的工业实践手段[3]。
5 支架CAE分析
基于有线元法，采用CAE分析软件Hyperworks /Optistruct 13.0（预处理/解算器）的帮助下，对系统相关零部件进行强度和模态分析，论文主要介绍对安装支架的分析过程。
分析目的：为了评价和改进安装支架的强度和模态，需要进行应力分析和模态分析；
设计标准：模态分析最低频率要求为143Hz，2200rpm，
通用标准：模态分析最低频率要求为180.3Hz，2550rpm。
分析目标：评估系统支架的应力大小和支架模态是否达到最低频率要求；
创建模型，包括安装支架、缸体、压缩机、发电机、张紧器、惰轮、皮带、螺栓等所有相关零件，预设螺栓为实心截面梁单元，螺纹与其他构件采用刚性（RBE2）连接。
通过分析结论得出以下结论：
①模态分析，安装支架频率（223.9Hz）高于最低可接受值（180.3Hz）。
②应力分析：最大应力区域为73.7MPa低于HT250材料要求的125MPa
综上所述，该系统设计满足既定要求，可以进行二维生产图纸绘制。
同时设计师需要考虑DVP验证方案。
关于DVP方案，主要考虑台架试验相关测点布置，空调压缩机加载模拟工作，试验时间确定等，具体论文不再累述。
6 结论
通过完成上述概念设计、详细设计、软件分析、工程图以及DVP方案布置等开发流程之后，目前此系统设计已经完成了多轮台架和整车试验，未发生支架断裂、皮带打滑、系统异响等严重质量故障，当前已风险投入市场，为公司及社会带来一定的经济效益。
【参考文献】
【1】刘鑫.柴油发动机运行状态监测和故障诊断系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2006.
【2】黄强.国5排放重型节能柴油发动机设计与研发[D].长沙：湖南大学，
2016.
【3】李军.柴油发动机电子控制系统硬件设计[D].长春：吉林大学，2006.。