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英文翻譯：
第一章
介紹
1.1研究的目的
機(jī)動(dòng)車的傳動(dòng)鏈從20世紀(jì)60年代開(kāi)始受到了更多的關(guān)注。更好的理解傳動(dòng)鏈?zhǔn)翘岣哕囕v性能和服務(wù)壽命的改進(jìn)設(shè)計(jì)的本質(zhì)要求。傳動(dòng)部件失效和車輛性能低下的兩個(gè)主要原因是傳動(dòng)鏈的振動(dòng)和傳動(dòng)鏈對(duì)對(duì)沖擊載荷的短暫響應(yīng)。
1）振動(dòng)：傳動(dòng)鏈的振源主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，齒輪輪齒上的沙眼，普遍的連接等。但更重要的振動(dòng)來(lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)任何一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩協(xié)件的頻率等于傳動(dòng)鏈的自然頻率，共振就會(huì)發(fā)生。共振幅度由系統(tǒng)阻尼決定。在共振頻率下操作非常危險(xiǎn)。可能導(dǎo)致過(guò)載或使某些部分失效，引起齒輪沖擊，使司機(jī)和乘客感到不舒服。阻止傳動(dòng)鏈的共振可以通過(guò)小心選擇和安排轉(zhuǎn)動(dòng)部件的慣性矩和連桿的硬度來(lái)避免在共振頻率下操縱，或者通過(guò)增加系統(tǒng)的阻尼使共振的影響減輕。
2）對(duì)沖擊載荷的短暫響應(yīng)：傳動(dòng)鏈的沖擊載荷主要來(lái)源是齒輪嚙合和突然地改變操縱指令或車輛的裝載。傳動(dòng)鏈中這種暫時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小決定于沖擊載荷的大小和傳動(dòng)鏈的暫態(tài)特性。
傳統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì)者們計(jì)算一個(gè)未知的動(dòng)力載荷會(huì)用穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩乘上一個(gè)安全因素如1.5、3.0或者5.0。用一個(gè)安全因素通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)不可行。即使設(shè)計(jì)可行，結(jié)果也可能是某些傳動(dòng)部件失效的結(jié)果。
新測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)讓動(dòng)力工程師在研究車輛動(dòng)力和新工具的領(lǐng)域中有了新的視野。用車輛模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，不僅幫助研究工程師，也讓設(shè)計(jì)工程師能評(píng)價(jià)不同的相互競(jìng)爭(zhēng)的設(shè)計(jì)，選擇最好的方案，和優(yōu)化已完成的設(shè)計(jì)方案的參數(shù)。這要求發(fā)展一種車輛模型，這種模型的準(zhǔn)確性可以通過(guò)比較模擬反應(yīng)和測(cè)試反應(yīng)來(lái)論證。
傳動(dòng)鏈最重要的部分是發(fā)動(dòng)機(jī)。不僅因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是振動(dòng)的主要來(lái)源，而且它也為車輛提供動(dòng)力。因此傳動(dòng)鏈的暫態(tài)特性必定受到其影響。所以一個(gè)準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)模型是模擬傳動(dòng)鏈的必然要求。學(xué)習(xí)的目的是獲得一個(gè)能用于傳動(dòng)鏈模擬的準(zhǔn)確發(fā)動(dòng)機(jī)模型。這個(gè)模型將被證明擁有高度的流動(dòng)性、多輪的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。
1.2動(dòng)力特性
1.2.1穩(wěn)態(tài)特性
發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性就是發(fā)動(dòng)機(jī)平均速度、平均轉(zhuǎn)矩和均衡狀態(tài)下燃料供給量之間的關(guān)系。這個(gè)屬性決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，車輛的加速度、最大速度、最大裝載量和車輛的其它重要性能特性。發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性通常指示在發(fā)動(dòng)機(jī)的銘牌上。
1.2.2短暫行為
一個(gè)準(zhǔn)確的對(duì)傳動(dòng)鏈暫態(tài)屬性的陳述必然能夠預(yù)示在短暫操作中車輛的暫態(tài)反應(yīng)和傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。傳動(dòng)部件的失效通常是由于傳動(dòng)鏈的短暫轉(zhuǎn)矩。這種轉(zhuǎn)矩有可能比在平穩(wěn)操作中的轉(zhuǎn)矩高得多。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是車輛傳動(dòng)鏈的主要部分，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的暫態(tài)特性在車輛對(duì)突然改變操作指令、車輛負(fù)載或者改變齒輪傳動(dòng)比的反應(yīng)中對(duì)傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生很大的影響。
1.2.3 極限振動(dòng)
傳動(dòng)鏈的主要振動(dòng)來(lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)曲軸傳遞給傳動(dòng)鏈，因此會(huì)周期性的波動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的兩個(gè)主要組成部分是燃燒室壓力脈動(dòng)和回程活塞的慣性矩變量。這兩個(gè)改變的轉(zhuǎn)矩提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性系統(tǒng)，引起傳動(dòng)鏈振動(dòng)。
發(fā)動(dòng)機(jī)的許用應(yīng)力，阻尼和慣性是傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的一部分，部分的決定傳動(dòng)鏈的共振頻率。這個(gè)極限頻率在發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率范圍內(nèi)。傳動(dòng)鏈的共振頻率將會(huì)引起傳動(dòng)鏈的共振。傳動(dòng)鏈共振會(huì)引起疲勞失效和增加傳動(dòng)鏈部件磨損和讓乘客不舒服。準(zhǔn)確的估算發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)特性，慣性和許用應(yīng)力在預(yù)測(cè)傳動(dòng)鏈的共振很重要。
1.3文獻(xiàn)參考
1.3.1控制模型
在發(fā)動(dòng)機(jī)模型研究領(lǐng)域中的最近研究中大多都有對(duì)控制目標(biāo)的研究。這種模型通常用來(lái)設(shè)計(jì)和評(píng)估用于動(dòng)力控制或者傳遞控制的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。在發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)模型中主要牽涉的是發(fā)動(dòng)機(jī)的暫態(tài)響應(yīng)，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)的極限振動(dòng)。汽缸壓力脈動(dòng)和慣性矩沒(méi)有被考慮，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性變量也沒(méi)有被考慮。只有發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平均值和發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性被代表性的使用。所以發(fā)動(dòng)機(jī)模型僅能提供暫態(tài)響應(yīng)，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)的極限振動(dòng)。一個(gè)典型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)模型能考慮大概只有不同的幾個(gè)等式：發(fā)動(dòng)機(jī)的速度與模型的輸出速度；發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與模型的輸入。
1.3.2振動(dòng)模型
為了在發(fā)動(dòng)機(jī)模型中包括發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，汽缸壓力脈動(dòng)，慣性矩，發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性變量和發(fā)動(dòng)機(jī)的阻尼必須考慮。
1.3.2.1壓力脈動(dòng)
發(fā)動(dòng)機(jī)功率來(lái)自汽缸壓力。汽缸壓力的變化在一個(gè)沖程循環(huán)中是固定的。輸入能量和汽缸壓力跟空氣壓力關(guān)系密切，但是在壓縮和爆炸的壓力能達(dá)到空氣壓力的100倍，在有的情況可能更多。這種變化的壓力通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出柄。它是另一個(gè)振動(dòng)源。所以這種由汽缸壓力提供給曲柄連桿的轉(zhuǎn)矩是變化的。汽缸壓力轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)被例21的模型計(jì)算且當(dāng)作一個(gè)曲柄角的函數(shù)。
1.3.2. 2慣性變量和慣性力
各種樣式的連桿和活塞的慣性和慣性矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化也是有影響的。計(jì)算慣性變量和慣性矩的數(shù)學(xué)方程能夠通過(guò)使用動(dòng)力理論獲得。它在大多關(guān)于動(dòng)力的書(shū)籍中找得到。Norling編寫(xiě)了一種計(jì)算機(jī)模擬程序去計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)部件的動(dòng)力和壓力。它是由變化的發(fā)動(dòng)機(jī)慣性和慣性矩產(chǎn)生的。這個(gè)模型描述發(fā)動(dòng)機(jī)是由各種剛性部件組成的?；钊考⑦B桿和曲柄連桿也被考慮。在承受不同壓力和連桿在不同速度下對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響被計(jì)算和記載。慣性矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響也被考慮的發(fā)動(dòng)機(jī)模型則是由Tsangarides發(fā)明的。
1.3.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)阻尼
發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦和在線性系統(tǒng)中的粘性阻尼很相似。它是在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)中要考慮的另一個(gè)因素。發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸活不同于輸出轉(zhuǎn)矩的飛輪的塞摩擦損失。這不包括泵損失和壓縮損失。通常將發(fā)動(dòng)機(jī)損失看作發(fā)動(dòng)機(jī)速度和汽缸壓力的一個(gè)功能。但是一個(gè)適合各種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦模型很難發(fā)展。取得摩擦損失的最好方式是來(lái)自經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1.1.3其他的一些重要文件參考
上面的關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)模型的研究的參考是用標(biāo)題安排順序的?，F(xiàn)在讓我們學(xué)習(xí)參考一些獨(dú)立的代表性的關(guān)于不同領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。發(fā)動(dòng)機(jī)模型的復(fù)雜性通常依靠研究的目的。
在關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的書(shū)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的極限振動(dòng)中的機(jī)械裝置中通?？醋饔星S箱，飛輪，扭震防止裝置和曲柄活塞機(jī)構(gòu)。曲軸箱，扭震防止裝置和飛輪的旋轉(zhuǎn)慣性，不被看成是幾個(gè)部分，而是看作由極限彈簧聯(lián)系在一起的旋轉(zhuǎn)慣性。連桿被看作剛性的，它的質(zhì)量分配被簡(jiǎn)化為曲柄銷和活塞銷兩質(zhì)點(diǎn)和他們之間一根堅(jiān)硬的，無(wú)重量的棒。往復(fù)式活塞也被考慮是剛性的，而且它的運(yùn)動(dòng)假定是線性的。引擎氣體壓力的效應(yīng)被表示成一個(gè)曲柄角的函數(shù)。引擎操作條件對(duì)氣體壓力的效果不被考慮。引擎的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩被應(yīng)用到飛輪。機(jī)構(gòu)的磨擦通常被忽略。應(yīng)用牛頓定律取得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。合并的方程式是非線性的，關(guān)于引擎慣量的輸出角位移和輸入激勵(lì)的二階微分方程。引擎極限振動(dòng)的特性能夠從分析系統(tǒng)方程獲得。為了簡(jiǎn)化方程，一些系統(tǒng)的高次（三或者更高）變量如活塞的位移被排除。 活塞質(zhì)量的改變效應(yīng)在系統(tǒng)慣性上不被考慮。
Draminsky、Pasricha和卡內(nèi)基發(fā)表了一系列關(guān)于曲軸箱極限振動(dòng)對(duì)曲柄活塞機(jī)構(gòu)的影響的論文。研究的目的是解釋一些巨型的低速的海上發(fā)動(dòng)機(jī)失效的原因。但不能對(duì)傳統(tǒng)的分析進(jìn)行說(shuō)明。Draminsky用非線性理論解釋這種現(xiàn)象，并說(shuō)明了這種現(xiàn)象發(fā)生是由于回程部分的慣性矩增加而使系統(tǒng)的慣性矩增加。卡內(nèi)基和Pasricha為解釋這種現(xiàn)象進(jìn)行了更深入的調(diào)研。并努力理解和present慣性變量對(duì)曲柄活塞系統(tǒng)振動(dòng)的影響。上面討論的卡內(nèi)基和Pasricha所用的系統(tǒng)方程是由二元方程簡(jiǎn)化而來(lái)的，是從單缸發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)出的。這里只有發(fā)動(dòng)機(jī)變量的第一頻率的部分被使用，可能是因?yàn)檫@是一個(gè)單缸的低速的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)簡(jiǎn)化方程不再適用。在模型中汽缸壓力和摩擦損失沒(méi)有考慮。在模型中汽缸壓力和摩擦損失沒(méi)有考慮。對(duì)于二階微分方程，因?yàn)閼T性變量也被考慮，角加速度的系數(shù)，還有位移和速度、曲柄角也改變。系統(tǒng)的慣性變量由曲軸箱的慣量和曲柄活塞機(jī)構(gòu)的慣量組成。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析使用慣性變量的線性系統(tǒng)方程揭示了曲軸箱會(huì)發(fā)生共振的發(fā)動(dòng)機(jī)速度范圍。不考慮慣性變量使得這難以預(yù)測(cè)。
Kabele的模型和Norling的模型相當(dāng)相似，盡管他們用于不同目的。Kabele的模型是用來(lái)模擬曲軸箱振動(dòng)的，而Norling的模型是用來(lái)計(jì)算與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的力的。然而，在論文中給出的這兩個(gè)模型除了以下不同點(diǎn)外相當(dāng)相似。1）曲柄活塞機(jī)構(gòu)變量的高次諧波不被除去，盡管它們的貢獻(xiàn)不到百分之一。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)方程更復(fù)雜。2）一個(gè)連桿質(zhì)量分配的比較正確的表示法被使用。它由兩部分組成：曲柄銷和活塞銷組成的兩個(gè)質(zhì)量點(diǎn)；在曲柄銷的慣性矩。3）軸承和活塞磨擦在模型中被考慮。然而，Milington指出在firing狀態(tài)下準(zhǔn)確地決定真實(shí)的摩擦是不可能的。4）活塞曲柄機(jī)構(gòu)的慣性矩改變量不能忽略。這可能變成四缸或四缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)的極限振動(dòng)的一個(gè)重要因素。5）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程因?yàn)榘叽沃C波而不明晰。這就出現(xiàn)了系統(tǒng)分析的一個(gè)問(wèn)題。
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