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MSC : 通往更高燃油效率之路

花匠小妙招
2024-12-07 18:12

方法

选定了一种多体模拟（MBS）和有限元分析的混合方法作为A40 机械装置结构动力学分析的方法。该方法的第一步，是基于克雷格-班普顿方法[1，2]确定曲轴和缸体的模态中性文件（MNF）。该方法允许选择自由度（DOFs）的子集，该子集在模态缩减过程中受到保护，在MBS模型中被用作外连接节点。例如，在轴承安装位置定义这种自由度（DOFs），就能够在各种发动机运行条件下方便地监测轴承变形。

模态缩减后的好处是大大减少了自由度（DOFs）的数量，同时保持了近乎完整的连同模态应力在内的模态信息（惯量和刚度张量）。

该方法的第二步，是将组件MNFs导入到ADAMS模型，以实现本机械装置结构刚度的最佳可能表示法。第三步牵涉边界条件设置，如爆压曲线、油粘度和温度，这一步骤在Adams中可以很容易地完成。最后，运行MBS分析，以分析发动机动态过程中的各个方面：扭振和弯曲振动、扭振减器（TVD）的效果和飞轮布置，以及针对轴承的分析。在本方案中，确定结构和动力学改进范围被作为特别强调的重点，因为这样才能整体上缩减尺寸和重量。Achates动力（有限）公司，将该混合的方法使用在开发的各个阶段，包括灵敏度研究和根原分析。该方法在组件优化和耐久性分析领域得到不断地改进和完善。此外，叠加模态应力和模态参与因子，进行模态应力恢复，并作为后续疲劳分析的基础。（在此不做描述）。

支撑结构灵敏度

在A40装置中，通过排气和进气连杆各自阶段产生端口正时。两个相对旋转的曲轴具有相同的对称性和相位。因此，燃烧的力量可部分取消。正如前面所提到的，对动架构使主轴承的力作用在缸体或曲轴箱上，而不是主轴承盖上。这两种作用能够帮助Achates动力（有限）公司实现一种相对于PCP的轻量级支撑结构。

早在测试中就明显得出，该结构重量降低的极限将取决于其支撑曲轴能力。曲轴的扭转和弯曲变形是耐久性、噪声和振动平顺性（NVH）的首要表征。分析以刚性缸体结构开始，随后由柔性体代替。增加了缸体细化的完全耦合分析曲轴弯曲结果，如图2所示正如所料，缸体表述方法对曲轴扭转行为（未显示）几乎没有任何影响。然而，曲轴弯曲的影响却十分显著。对于刚性缸体，可以观察到伴随每分钟3000转转速下的共振的明显的第四阶激励。相比较而言，柔性缸体的响应显示了所有频率切换过程中的从第一阶到第四阶激励。尽管曲轴弯曲幅度满足Achates动力的要求，更强的缸体刚性能够进一步降低曲轴弯曲度。因此，为验证这种改进，缸体的刚度被人为地增加了20％（见图2）。

除了研究缸体刚性影响之外，该方法还能用于指导保持重量下降同时，局部刚性提高的设计。

图3 最大齿轮分离力与发动机转速关系

图4 减轻齿轮共振研究所选用的解决方案

图5 齿轮共振解决方案：取力器移至曲轴图6 曲轴轴头速度波动的相关性

减缓齿轮共振

在早期的A40四缸机构测试阶段，就观察到了齿轮传动噪声/共振现象。虽然这个特殊的发动机只装有两个应变传感器，但是所测量的齿轮传动共振已由Adams虚拟发动机模型定性重现。其结果如图3所示。

ADAMS模型随后用于执行大规模的参数研究，从而找到所观察到齿轮共振问题的根源和解决方案。在大量关于如何降低的齿轮共振的构想中，只选择一些结果在此进行讨论。将可能的解决方案分为三类：

1.对机构设计没有影响，或具有次要影响
2.对机构设计有中等影响
3.对机构设计有主要影响

第一类解决方案其中包括：减少齿轮间隙和飞轮转动惯量。从公差和可加工性角度来看，间隙可以减少到目前设计间隙的40%，所带来的轴承负载仅仅降低了20％，这是远远不够的。飞轮惯量降低至其初始值的50％，或者完全将飞轮移除（零惯量），如果对共振特性有影响的话，其影响也微乎其微。有趣的是，动力学研究表明，发动机完全能够在无飞轮状态下运行，这能够减少13.7公斤的发动机总重量。

在第二类中，有两个解决方案涉及结构变化，看似较有前途：将取力器移至曲轴或螺旋齿轮。前一种方法在结合TVD和飞轮惯量协调时显示出最佳的效果。该解决方案一直运行在设计层面，并未制造出相关硬件。此外，由于在任何给定负载状态下，存在的齿轮分离系数，以及对NVH效果的考虑，选择螺旋装齿轮作为首选解决方案。

第三类解决方案涉及重大的全新设计并对发动机总成产生冲击。例如，输出轴上的一个单独的飞轮可能被每个曲轴上设置的一个飞轮所取代，用两个大型齿轮取代四个齿轮，或者将TVDs移至曲轴后端。尽管上述修改都具有一定的前途，重新设计工作最好纳入到未来的发动机设计之中。

图4中每个图表显示了在每分钟1500转共振速度下的时域数据。

为了考虑次要的速度切换，针对每一情况都运行了完全的速度扫描。图5显示了当共振转换超出当前每分钟2800转的速度限制时速度扫描的结果。