Оценка влияния переменности инерционных характеристик силового агрегата на параметры колебательной системы двигатель-подвеска тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Карпов, Максим Анатольевич

• Карпов, Максим Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карпов, Максим Анатольевич

Список принятых сокращений и условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Анализ динамических процессов, связанных с колебаниями двигателя на подвеске.

1.1. Предпосылки для исследования поведения двигателя на подвеске.

1.2. Факторы, влияющие на колебания двигателя на подвеске.

1.3. Обзор моделей для расчёта колебаний двигателя на подвеске.

1.4. Основные допущения, присущие современным расчётным моделям.

Глава 2. Методика расчёта динамического поведения четырёхцилиндрового двигателя на упругих опорах при работе на холостом ходу.

2.1. Предпосылки к выбору расчетной схемы и метода расчета.

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

2.3. Численная реализация анализа движения силового агрегата.

Глава 3. Экспериментальное исследование колебаний четырёхцилиндрового двигателя на упругих опорах на режиме холостого хода.

3.1. Описание экспериментальной установки для исследования жесткостных характеристик упругих опор.

3.2. Описание экспериментальной методики исследования колебаний двигателя на режиме холостого хода.

3.2.1. Объект испытаний и средства измерения.

3.2.2. Экспериментальное исследование поведения двигателя на подвеске с учётом особенностей его установки на испытательном стенде.

3.2.3. Экспериментальное исследование колебаний двигателя на подвеске, вызванных движением деталей кривошипно-шатунного механизма.

3.2.4. Экспериментальное исследование колебаний двигателя на подвеске на режиме холостого хода.

Глава 4. Расчётное исследование влияния конструктивных параметров системы двигатель — подвеска на ее вынужденные колебания для режима холостого хода.

4.1. Предпосылки к моделированию.

4.2. Исследование влияния перемещения масс внутри корпуса двигателя на параметры его колебаний.

4.3. Исследование влияния расположения точек приложения возмущающих сил.

4.4. Исследование влияния переменности инерционных характеристик двигателя на параметры его колебаний.

4.5. Исследование влияния параметров упругих элементов подвески силового агрегата.

4.6. Исследование влияния расположения упругих элементов подвески силового агрегата и его центра инерции.

4.7. Исследование влияния технологической неидентичности масс подвижных одноименных деталей силового агрегата.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка влияния переменности инерционных характеристик силового агрегата на параметры колебательной системы двигатель-подвеска»

Актуальность работы. К числу основных задач автомобилестроения и двигателестроения относится снижение уровня акустических и вибрационных нагрузок от силовой установки на конструкцию транспортных средств. Эта важнейшая задача непосредственно связана с увеличением ресурса узлов и агрегатов двигателей и транспортных средств, снижением их материалоемкости, повышением комфортности и акустической экологичности, улучшением условий труда на транспорте.

Среди причин возникновения знакопеременных нагрузок, порождаемых работающим двигателем, важное место занимают динамические эффекты, производимые движением элементов кривошипно-шатунного механизма. Эти эффекты усугубляются неизбежной неравномерностью вращения коленчатого вала. Интерес к разработкам мероприятий, направленных на снижение виброактивности двигателя, усиливается тем, что даже небольшие изменения среднестатистических значений знакопеременных нагрузок могут вызвать существенное изменение его ресурса.

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

Цель работы. Провести анализ влияния переменности инерционных характеристик силового агрегата, вызванной подвижностью элементов кривошипно-шатунного механизма, и расположения его опор на колебания двигателя на подвеске. Построить расчётную динамическую модель системы силовой агрегат — подвеска, проверить её адекватность в ходе экспериментальных исследований.

Методы исследования. В работе сочетались методы расчетно-аналитического и экспериментального исследования. Теоретические исследования проводились в программном комплексе «Эйлер» по модели, разработанной автором, базирующейся на уравнениях Лагранжа второго рода. Экспериментальные исследования проводились на двигателе ВАЗ-21083 в моторном боксе №15 кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» и на базе кафедры «Дорожно-строительные материалы» МАДИ (ГТУ). Для регистрации результатов экспериментов использовались акселерометры типа 4334 фирмы Briiel&Kjaer, виброизмерительный прибор производства НП Robotron-Messelektronik, а также плата запоминающего измерительного аналогово-цифрового осциллографа ЛА-н10М4 производства ЗАО «Руднев-Шиляев», сопряжённая с персональным компьютером типа IBM PC.

Научная новизна. Разработана трёхмерная динамическая модель поведения силового агрегата на подвеске, учитывающая влияние подвижности элементов кривошипно-шатунного механизма. Показано существенное отличие расчетного характера колебаний от результатов, полученных по методикам, не учитывающим влияние указанных факторов. Проведён анализ влияния перемещений масс внутри корпуса двигателя, связанных с поступательным движением поршня и плоско-параллельным движением шатуна.

Достоверность и обоснованность научных положений работы обеспечена применением фундаментальных законов классической механики Ньютона, а также подтверждением результатов расчёта математических моделей экспериментальными данными, полученными с использованием оборудования и приборов, отвечающих требованиям государственных стандартов.

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

Реализация работы. Результаты данного исследования использованы в совместной научной работе кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ) и УКЭР отдела двигателей АМО ЗИЛ. Алгоритм моделирования колебаний двигателя на подвеске принят к использованию НПФ «ЭВА» для решения задач по исследованию вибрации поршневых компрессоров, выпускаемых ОАО «Транспневматика» для нужд железнодорожного транспорта и метро. Методика расчетного моделирования динамики кривошипно-шатунного механизма и анализа уравновешенности двигателей различных компоновочных схем в среде программного комплекса «Эйлер» используется в учебном процессе кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ) при подготовке бакалавров и магистров по специальности «Тепловые двигатели».

Основные положения, выносимые на защиту

• Алгоритм расчёта динамического поведения системы «силовой агрегат — подвеска» с использованием методов классической механики на основе уравнений Лагранжа второго рода.

• Трёхмерная модель силовой агрегат — подвеска рядных четырёх- и двухцилиндрового двигателей.

• Анализ влияния на достоверность расчётов следующих допущений, традиционно используемых при исследовании колебаний двигателя на подвеске:

• приложение сил инерции к центру масс силового агрегата;

• применение эквивалентной двухмассовой схемы вместо реального шатуна.

Личный вклад автора

• Проведен анализ работ, посвященных методам исследования колебаний силового агрегата автомобиля и проектирования амортизационных конструкций, вопросам виброизоляции двигателей внутреннего сгорания.

• Разработана математическая модель, описывающая динамическое поведение рядного четырёхцилиндрового двигателя на подвеске с использованием методов классической механики.

• Реализовано решение разработанной модели в программном комплексе «Эйлер», предназначенном для расчёта многокомпонентных механических систем.

• Адекватность предложенной модели проверена экспериментально в Проблемной лаборатории транспортных двигателей МАДИ (ГТУ).

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались на научных конференциях МАДИ (ГТУ) в 2005-2006 гг. и экспонировались на выставке научных достижений МАДИ (ГТУ) 2006 г.

Публикации. Материалы исследований опубликованы в четырёх печатных работах, из них 1 статья в журнале по списку ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 113 страниц, включая 3 таблицы, 60 иллюстраций, библиографию из 54 наименований и 1 приложение.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Карпов, Максим Анатольевич

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика моделирования поведения силового агрегата на упругих опорах, учитывающая влияние переменности массово-инерционных характеристик силового агрегата вследствие кинематической изменяемости КШМ, технологической неидентичности масс подвижных одноименных деталей и параметров упругих элементов подвески, а также особенностей установки двигателя на испытательном стенде.

2. Разработанный метод основан на применении хорошо апробированного аппарата аналитической механики и численном интегрировании полученных дифференциальных уравнений движения. Это даёт основание относиться к полученным результатам как к точным в пределах действия использованных допущений.

3. Сравнение экспериментальных и расчетных АЧХ показало высокую сходимость результатов, что позволяет сделать вывод о возможности применения разработанной методики для расчета' параметров колебаний силового агрегата на подвеске.

4. Проведённые исследования подтвердили допустимость использования эквивалентной двухмассовой модели шатуна при расчёте колебаний 4Р ДВС на подвеске. Использование подобной модели для 2Р ДВС занижает значения амплитуды колебаний в вертикальном направлении на 2.46%, а в горизонтальном - более чем на порядок, в зависимости от частоты возбуждения системы двигатель - подвеска.

5. Проведённые исследования показали, что приложение сил инерции деталей КШМ по их реальной линии действия, а не к центру масс силового агрегата, существенно уточняет результаты расчёта колебаний двигателя на упругой подвеске. Различие результатов расчёта амплитуды колебаний на задней опоре для 4Р ДВС с приложением суммарной силы инерции подвижных деталей к центру масс силового агрегата составляет от -48 до

164% по отношению к расчётной схеме с учётом подвижности элементов КШМ. Приложение сил инерции по осям цилиндров снижает эту погрешность до -5. -34%.

6. Разработанная методика моделирования поведения силового агрегата на упругих опорах позволяет точнее рассчитывать АЧХ в сравнении с частотным методом, который не учитывает перемещения масс внутри корпуса. Проведённые расчёты амплитуды колебаний передних опор 4Р ДВС показывают, что использование частотного метода занижает результаты на 2.23%, для схемы 2Р ДВС эта погрешность составляет уже 6.58%, причём различия наиболее заметны в области рабочих оборотов холостого хода двигателя.

7. Проведён анализ влияния конструктивно-технологических особенностей элементов КШМ и упругой подвески на колебания силового агрегата. Показано, что для рядного четырёхцилиндрового двигателя разброс масс поршневого комплекта в пределах технологического допуска вызывает увеличение амплитуды колебаний с ростом частоты вращения КВ. В зависимости от расположения разномассовых деталей по цилиндрам это увеличение может составлять до 26% по сравнению с амплитудами колебаний двигателя с одинаковыми возвратно-поступательно движущимися массами.

8. Использование предложенной динамической модели силовой агрегат — подвеска позволяет на стадии проектирования прогнозировать влияние расположения упругих опор и смещения центра масс двигателя вследствие его дооснащения дополнительным навесным оборудованием на параметры колебаний силового агрегата на подвеске.

9. Предложенная модель позволяет получить значения силовых факторов, нагружающих элементы подвески силового агрегата и передающихся через них основанию или раме, на которой установлен силовой агрегат. Эта возможность является существенным преимуществом разработанного метода по сравнению с частотным.

Однако следует отметить, что расчеты проводились в предположении постоянства угловой скорости КВ. Цикличность рабочих процессов в двигателе вызывает девиацию угловой скорости КВ. Учет влияния данного фактора на поведение колебательной системы силовой агрегат - подвеска может быть продолжением данной работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карпов, Максим Анатольевич, 2008 год

1. Автомобильные двигатели / Под ред. М.С. Ховаха. - М.: Машиностроение, 1977.-591 с.

2. Борисов, Л.П. Звукоизоляция в машиностроении / Л.П. Борисов, Д.Р. Гужас. М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.

3. Бидерман, В.Л. Прикладная теория механических колебаний: учебник для вузов / В.Л. Бидерман. — М.: Высшая школа, 1972. 416 с.

4. Брюль и Къер: краткий каталог 1984 г. Аппаратура для акустики, электроакустики, виброметрии, фотометрии, тензометрии, термометрии, медицинской диагностики и анализа сигналов. — Дания, 1984. 65 с.

5. Бурдасов, Е.И. К вопросу об оценке эксплуатационной долговечности амортизаторов подвески силового агрегата автомобиля / Е.И. Бурдасов, В.В. Кисиль.// «Каучук и резина». 1974. - № 7. - С. 29-31.

6. Вибрации в технике: Справочник в 6 т. М.: Машиностроение, 19781981. Т.1-6.

7. Вибрация энергетических машин. Справочное пособие / Под ред. д-ра техн. наук проф. Н.В.Григорьева. Л., «Машиностроение», 1974. - 464 с.

8. Галевко, В.В. Виброакустический контроль технического состояния ДВС и агрегатов автомобиля /В.В. Галевко, В.В. Гриб, М.Г. Шатров // Сб. трудов МАДИ (ГТУ). М., Эксподизайн, 2007. - С. 287-289.

9. Галевко, В.В. Исследование и доводка автомобиля по акустическим показателям в стендовых условиях / В.В. Галевко, Ю.В. Галевко, В.Е. Ерещенко // Вестник МАДИ (ГТУ). М.: МАДИ, 2003. - Вып. 1. - С. 7275.

10. Галевко, В.В. Теоретическое обоснование и результаты экспериментального исследования шума ДВС от процесса сгорания с использованием корреляционно — спектральной теории /В.В. Галевко // Вестник МАДИ(ГТУ). М.: МАДИ, 2005. - Вып. 4. - С. 36-43.

11. ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. М.: Издательство стандартов, 1981.-53 с.

12. Грановский, В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях / В.А. Грановский, Т.Н. Сирая. JL: Энергомашиноиздат, 1990.-288 с.

13. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 2. Динамика и конструирование: уч. для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др. М.: Высшая школа, 2005.-400 с.

14. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. -М.: Машиностроение, 1984. 383 с.

15. Иванов, А.И. Об определении критериев вибрационного состояния двигателей / А.И. Иванов, В.М. Рогачев // Двигателестроение. 1989. — № 4.-С. 30-31.

16. Иванов, Н.И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых и строительных машинах / Н.И.Иванов. М.: Транспорт, 1979. - 272 с.

17. Кабаев, А.Н. Совершенствование методов проектирования ДВС с заданными виброакустическими характеристиками: дисс. канд. техн. наук / А.Н. Кабаев. М., 1993.

18. Колесников, А.Е. Акустические измерения: Учеб. для вузов / А.Е. Колесников. Л.: Судостроение, 1983. - 256 с.

19. Колесников, А.Е. Шум и вибрация: Учеб. для вузов / А.Е. Колесников. -Л.: Судостроение, 1988. 248 с.

20. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. — М.: Наука, 1970. 720 с.

21. Кошкин, В.Е. Методы измерения и экспериментального исследования шума и вибраций автомобильных двигателей / В.Е. Кошкин, В.Н. Луканин, В.Е. Тольский. М.: НАМИ, 1961. - 20 с.

22. Луканин, В.Н. Основные источники акустической мощности в моторном отсеке автомобиля КамАЗ / В.Н. Луканин, Г.А. Кныш, С.В. Антонов// Снижение шума ДВС: Тр. МАДИ. М., 1984. - С. 14-24.

23. Лукин, A.M. Способ оценки устойчивости работы ДВС по неравномерности угловой скорости вращения коленчатого вала / A.M. Лукин, В.И. Хавкин // Двигателестроение. Л., 1984. - № 2. - С. 17-19.

24. Найденко, O.K. Амортизация судовых двигателей и механизмов / O.K. Найденко, П.П. Петров. Л.: Судпомгиз, 1962. - 287 с.

25. Нарбут, А.Н. Вибрация в автомобиле: Учебное пособие / А.Н. Нарбут. — М.: МАДИ, 1988.-62 с.

26. Никитин, Н.Н. Курс теоретической механики: Учеб. для вузов / Н.Н. Никитин. М.: Высш. шк., 1990. - 607 с.

27. Пановко, Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара / Я.Г. Пановко. — Л.: Политехника, 1990. 272 с.

28. Попков, В.И. Виброакустическая диагностика в судостроении / В.И. Попков, Э.Л. Мышинский, О.И. Попков. — Л.: Судостроение, 1983. 256 с.

29. Расчёт колебаний силового агрегата автомобиля: руководящие технические материалы РТМ 37.001.051 78 / В.Е. Тольский, Л.В. Корчемный, Л.М. Минкин. -М.: НАМИ, 1979. - 80 с.

30. Резвяков, Е.М. Снижение уровней шума и вибраций отечественных автомобилей / Е.М. Резвяков, И.А. Ильясевич // Автомобильная промышленность. М., 1981. -№ 7. - С. 14-17.

31. Румянцев, П.Г. Разработка показателей межцикловой неравномерности двигателя для выбора его регулировок: дисс. канд. техн. наук / П.Г. Румянцев. М., 1985. - 205 с.

32. Румянцев, П.Г. Расчет неравномерности вращения коленчатого вала двигателя с учетом упругости трансмиссии / П.Г. Румянцев, Б.Я. Черняк // Двигателестроение. Л., 1986. - № 4. - С. 18-20.

33. Сафронов, П.В. Моделирование колебаний двигателя на подвеске на режимах с высокой цикловой нестабильностью: дисс. канд. техн. наук / П.В. Сафронов. М., 1999. - 103 с.

34. Скучик, Е. Простые и сложные колебательные системы / Е. Скучик. М.: Мир, 1971.-557 с.

35. Случайные колебания / Под ред. С. Кренделла. М.: Мир, 1967. - 356 с.

36. Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле / С.П. Тимошенко. М.: Наука, 1967.-444 с.

37. Тольский, В.Е. Виброакустика автомобиля / В.Е. Тольский. М.: Машиностроение, 1988. - 144 с.

38. Тольский, В.Е. Колебания силового агрегата автомобиля / В.Е. Тольский, Л.В. Корчемный, Г.В. Латышев, Л.М. Минкин. М.: Машиностроение, 1976.-266 с.

39. Тольский, В.Е. Как снизить шум и вибрацию российских автомобилей /

40. B.Е. Тольский // Автомобильная промышленность. М., 2003. - № 11. —1. C. 28-30.

41. Тольский, В.Е. Математическое моделирование колебаний силового агрегата автомобиля и оценка его виброизоляции / В.Е. Тольский, Л.В. Корчемный, Л.М. Минкин // Автомобильная промышленность. М., 1979. - № 2. - С. 20-23.

42. Тольский, В.Е. Методические указания к расчетному исследованию вибрации двигателя / В.Е. Тольский, В.Е., Горшков, Ю.В., Коваль. М.: МАДИ, 1989.-16 с.

43. Тольский В.Е. Особенности виброакустических характеристик и вибронагруженности некоторых российских автомобилей и автобусов / В.Е. Тольский, С.М. Воеводенко // Журнал автомобильных инженеров. -М., 2008. № 2 (49). - С. 44-47.

44. Тольский, В.Е. Уменьшение вибрации двухцилиндровых автомобильных двигателей при применении уравновешивающего механизма / В.Е.

45. Тольский, JI.M. Минкин, С.В. Портнов // Двигателестроение. Л., 1984. -№ Ю.-С. 39-41.

46. Финогенов, К.Г. Средства связи измерительной аппаратуры с ЭВМ: Учеб. пособие / К.Г. Финогенов. М.: МИФИ, 1987. - 79 с.

47. Черняк, Б.Я. Моделирование влияния нестабильности сгорания на индикаторные показатели и равномерность работы двигателя / Б.Я. Черняк, И.И. Волчек // В кн.: рабочие процессы автотракторных ДВС. — М., 1981.-С. 107-114.

48. Яблонский, В.В. Определение частотных характеристик и колебательной мощности механических систем / В.В. Яблонский // Вибрации в технике. -М.: Машиностроение, 1979. С. 41-82.

49. Augustynowicz, A. Wskazniki pracy garnikowego silnika samochodo wego w stanach nienstalonych / A. Augustynowicz // Zesz. nauk. WSI Opolu. Mech. — 1995. -№ 51.-P. 31-41.

50. Bachvarov, St. A teoretical study on vertical vibration of an internal combustion engine / St. Bachvarov, St. Poulev, L. Kunchev // J. Theor. and Appl. Mech. 1994. - № 1-2. - P. 34-39.

51. Bruel and Kjaer: Accelerometer Calibrator Type 4291. Denmark: Revision, 1978.-35 p.

52. Bruel and Kjaer: Measuring Vibration. Denmark: Revision, 1980. - 40 p.

53. Bruel and Kjaer: Piezoelectric accelerometer and vibration preamplifier handbook. — Denmark: Revision, 1978. 84 p.

54. Kraftfahrzeugmotoren Auslegung und Konstruktion / Hrsg. von Volkmar Kuntscher.- Berlin: Verl. Technik, 1987. - 720 S.

55. Piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer: Bedienungsanleitung. VEB Metra Mess- und Frequenztechnik Radebeul. - DDR, 1985. - 22 S.

56. Sehaberg, P.W. Effects of rapid pressure rise on engine vibration and noise / P.W. Sehaberg, T. Pritde, Zr.K. Dutkiewic // SAE Techn. Pap. Ser. 1990. -№900013.- P. 1-13.