發動機總成動力學參數的測量

夏 敏，譚良勇，秦洪躍

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西柳州 545005）

發動機總成的動力學參數，包括發動機總成質量、質心位置、轉動慣量和慣性積等共10個獨立參數。這些參數能否準確測量，將直接影響整個發動機總成隔振懸置系統的設計分析開發，是進行理論設計、仿真分析、虛擬試驗等現代設計分析方法和手段所需的基本參數。發動機總成是由發動機、離合器、變速器和一些附件組成的復雜剛體。由于總成的幾何形狀不規則，重量分布也不均勻，其動力學參數不能直接通過理論計算或三維實體數模的數值計算得到，而需要通過實驗的方法來進行測定。參數測量的方法及設備都有很多，可以采用分體式測量，也可以采用一體式測量。

五菱柳機動力公司現采用的是由北京科技大學研制的三線扭擺法復雜剛體動力學參數測試系統。這套系統操作簡單，是目前精度最高的方法，也是應用十分普遍的一種方法。在測量完成后，軟件內設有自動判斷測試結果的準確性，10個參數都能以報告的形式給出結果。

1 測量原理

1.1 測量的參數

發動機總成所需測量的10項動力學參數，分別為：質量M，質心的坐標 C(xce，yce ，zce)，轉動慣量（JXX，JYY，JZZ），慣性積（JXY，JXZ，JYZ）。

1.2 參數的測量

質量M可以直接通過三線擺試驗臺的傳感器測得。

質心坐標、慣性距和慣性積，必須通過一些具體操作，測出計算所需的一些具體數據，然后輸入軟件計算得出。

托盤擺動周期T是一個關鍵測量數據，由周期可算出發動機總成與托盤的總轉動慣量，也可計算出發動機總成的轉動慣量，由下列式（1）、式（2）求出。

式中，J總為發動機總成與托盤的總轉動慣量；J盤為托盤的轉動慣量；J為發動機總成的轉動慣量；W為發動機總成與托盤總質量；r為吊線到托盤中心的距離；T為托盤擺動周期；L為吊線長度。

設Cxyz為固定在發動機總成系統中的參考坐標系，坐標原點C為發動機總成的質心，過質心平行發動機曲軸方向指向前端為x軸，對于直列發動機，其與氣缸中心線所在的中心面垂直，指向發動機左側為y軸（從發動機離合器端往皮帶輪端看），平行于氣缸中心線向上為z軸。設A為坐標系中的任一點，則對過原點C的軸線CA的轉動慣量JCA可以通過式（3）求出：

式中，JXX、JYY、JZZ為系統繞參考坐標軸的轉動慣量；

JXY、JXZ、JYZ為系統相對于參考坐標軸的質量慣性積；

α、β、γ 為CA軸分別與 x、y、z軸的夾角。

由式（3）看出，只要通過試驗得出繞CA軸的轉動慣量JCA，并測出與之對應的α、β、γ角度值，代入公式可得到一個方程；同理，改變位置角度6次，可得到相應的6個類似方程，聯立形成方程組，解此多元線性方程組，從而得到所求的轉動慣量和慣性積。

在同一個位置中，轉動慣量JCA可通過式（1）、式（2）求出，至于α、β、γ角度值則要通過測量計算得出。

2 試驗過程

為了更好的說明這套三線扭擺法復雜剛體動力學參數測試系統的應用，特以公司生產的LJ465Q3-1AE2發動機總成為例。

2.1 總成質量的測量

質量的測量較簡單，可通過三線擺試驗臺自帶的稱重傳感器測量。先通過三線擺上的傳感器測出托盤的質量，再把發動機總成放到托盤上測量總質量，兩次相減即可得出發動機總成的質量。

2.2 參考點 P1、P2、P3的選擇

參考點的選擇，將直接影響到后續的距離測量，以及最后所計算的10個動力學參數。所以3個參考點應該盡可能選定在發動機的上部；3點相互之間的距離要盡可能遠，最好＞300～500 mm；3個參考點的選著必須有利于接下來的距離測量。

針對以上這些條件，LJ465Q3-1AE2發動機總成上的3個參考點選擇如圖1、圖2、圖3。

圖1 參考點P1

圖2 參考點P2

圖3 參考點P3

2.3 坐標系O xyz及參考點坐標

發動機坐標系，是與指定的質心坐標系平行的坐標系。為了得到發動機總成相對于指定的質心坐標系的慣量參數，需要知道參考點P1、P2、P3在發動機坐標系下的坐標。參考點P1、P2、P3在發動機坐標系下的位置坐標是非常重要的原始數據。如果有誤，將會直接導致數據處理結果失真。參考點坐標如表1。

表1 參考點在發動機坐標系下的位置坐標

2.4 參考點之間相互間距的測量和校核

數據處理需要輸入參考點P1、P2、P3之間的相互間距，即P1-P2、P1-P3、P2-P3之間的距離。利用卡尺測量參考點之間的間距，并輸入數據軟件對其進行校核。校核的內容主要包括：相對于指定的發動機坐標系，坐標值的正負是否正確；根據參考點坐標值計算的參考點之間的距離是否與測量距離吻合。為了計算結果的準確性，對參考點的坐標值進行校核，是測試過程以及數據處理結果中非常重要的步驟。校核結果如表2。

表2 校核結果

由上表可以看出，測量結果與數據處理軟件計算的結果誤差非常小，說明之前所給出的參考點坐標無誤。

2.5 各位置下的數據測量

由上述所知，為計算最終結果，發動機總成必須改變角度6次，也即擺成6種不同姿態。根據多次測量經驗，我們一般測試7種姿態，以確保測量精度。在每種姿態下，都必須測量托盤擺動周期，測量參考點P到托盤邊沿參考點Bj（j=1～12）之間的距離。

為了平衡需要，有時需要在托盤上添加配重塊，我們提供的標準配重塊有3種，分別是10 kg、5 kg、2 kg。如有配重塊，則必須把配重塊的個數及總質量輸入軟件。并且配重的質心在托盤上的投影設為P4點。

托盤擺動周期T是很關鍵的測量數據，采用秒表測量，為了確保測量精度，需要測量連續50個周期的擺動時間，以求平均數。測量包括配重質心在托盤上的投影點P4在內的總共4個參考點到托盤邊沿參考點Bj之間的距離，其中每個P點至少需要測量到4個B點之間的距離。

2.6 計算結果

（1）發動機總成質量。發動機總成質量由測量可得M=123.1 kg。

（2）質心位置坐標。發動機總成質心C在發動機坐標系下的坐標 C（xC，yC，zC）如表3。

表3 發動機總成質心坐標

（3）轉動慣量。發動機總成相對于坐標原點位于發動機總成質心、與發動機坐標系各軸對應平行且方向相同的質心坐標系下的轉動慣量及慣性積如表4、表5所示。

表4 轉動慣量

表5 慣性積

3 結束語

由試驗可以看出，三線扭擺法復雜剛體動力學參數測量系統操作簡單，精度非常高，測量計算結果能夠滿足現在發動機總成設計需求。至于是否能夠開發一套更加簡便、精度更高的發動機總成動力學參數測量系統，則需要更進一步的努力。

[1]蔡懷崇，閔 行.材料力學[M].西安：西安交通大學出版社，2004.

[2]趙彤航.CA1261汽車發動機懸置系統隔振的研究[D].長春：吉林大學，2003.