[发明专利]基于多体系统传递矩阵的柴油机配气系统动力学计算方法

说明书

技术领域

本发明属于柴油机配气系统研究领域，涉及一种基于多体系统传递矩阵的柴油机配气系统动力学计算方法。 

背景技术

当今社会科技迅猛发展，对于机械器件各方面性能要求也越来越高，且伴随着各种资源逐步紧缺、环保法律逐步完善等诸多条件的影响，使得柴油机技术向着高性能、高功率、低油耗、低排放、低噪音、低污染等方向发展。配气系统作为柴油机技术的核心区域之一，一直以来都是研究的重点。配气系统控制着整个柴油机的换气过程，对于整机的工作效率、稳定性、可靠性起着举足轻重的作用。通过研究配气系统在柴油机正常工况下的动力学性能是分析研究柴油机整机性能的重要指标和基础所在。因此，能够提出一种方便快捷且卓有成效的柴油机配气系统动力学计算方法对于设计、研发、制造更为新型的柴油机显得尤为重要。 

对于柴油机配气系统动力学的研究，初期普遍采用的方法是通过建立多刚体系统微分方程组求解其动力响应等情况，后来随着计算机技术的发展，进而采用计算机仿真软件技术建立配气系统三维模型进行模拟仿真和计算。但是要建立一个精确的三维模型需要花费大量的人力物力与建模过程，同时，仿真计算量较大，且对于某些参数的测试目前尚无法达到。对建立的多刚体系统微分方程组进行求解，在收敛性方面往往存在一定的问题，且对于某些动力学性能的计算结果与实际情况相距甚大。 

发明内容

本发明的目的是克服上述当前已有技术中的不足，在仅提供有限的测量参数和避免复杂建模的情况下，提供一种在正常工况下准确性高、可行性好的研究柴油机配气系统动力学性能的计算方法。本发明的技术方案如下： 

一种基于多体系统传递矩阵的柴油机配气系统动力学计算方法：

1）测量实际凸轮升程曲线得到升程数据表，并进行曲线光顺处理。根据所测数据情况采用N次谐波逼近法进行曲线拟合，得到拟合后的N次谐波凸轮型线方程。对光顺后的离散数据点与拟合方程中相对应的点进行剩余标准差比较，从而验证拟合型线方程的准确性。

2）分析柴油机配气系统所受外力情况以及初始输入量情况，确定采用多体系统传递矩阵法建模所需的状态矢量和边界条件、初始输入值等。 

3）分离柴油机配气系统各个传动构件，分析各个构件的受力情况、力学性能，推导反映各构件力学特性的传递矩阵。鉴于柴油机配气系统是链式结构，通过将这些特征传递矩阵进行相乘，得到系统的总传递矩阵。 

4）综合上述三步所得结果，拼装组合状态矢量、边界条件、总传递矩阵得出配气系统的总传递方程，以及推导得到各构件的分传递方程。 

5）将N次谐波拟合方程在凸轮某一转动角度下所对应的各个级数中的同一级数的正弦和余弦三角函数作为初始输入值代入总传递方程和分传递方程中进行求解，叠加该转动角所对应的型线方程所有级数所求结果，得到该转动角度下各构件所受的承载力和位移响应。 

6）复步骤5），完成凸轮转动一周配气系统动力学性能运算，通过本计算方法可以提取到各个零部件的运动特性情况，据此绘制各构件的动态特性曲线，如凸轮转动角与构件位移的关系曲线、凸轮转动角与构件所受承载力的关系曲线等，通过这些曲线可以判断该构件的运动规律情况。 

本发明使用数值模拟方法来研究柴油机配气系统的动力学响应，得到凸轮型线与配气系统构件之间的相互作用关系。通过此方法能够更加方便快捷的建立柴油机配气系统动力学计算模型，而且通过适当调整模型中的少量参数便能实现在不同转速下的柴油机配气系统动力学性能计算。 

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例加以说明。 

本发明采用数值模拟的方式来模拟配气系统在正常工况下的动力学性能情况，提出了一套从凸轮型线拟合到动力学模型建立、求解的计算方法。 

在此以RD120型柴油机下置式凸轮轴配气系统进气门为例，具体方法如下： 

(1) 首先，测量进气门凸轮升程曲线得到升程曲线数据表，并进行光顺处理，然后选定离散曲线拟合周期（一般为360度）与拟合项数N，利用快速傅里叶变换（FFT）得到拟合后的复数形式傅里叶变换结果，如式1所示。

                                                     (1) 

其中，表示拟合的项数，表示通过FFT变换之后的第项复数的实数部分，表示通过FFT变换之后的第项复数的虚数部分。