发动机动力总成惯性参数测试辅助方法

摘要

本发明公开了一种发动机动力总成惯性参数测试辅助方法，通过惯性参数定义规律和动力总成质量分布与惯性参数之间的关系来方便地判断动力总成惯性参数测量结果正确性与合理性。本发明构思巧妙、原理简单、使用方便，既可在测试前估算发动机动力总成的惯性参数，又可判断通过任何测试系统测得的惯性参数数据的正确性与合理性，对保证测试数据正确性，提高测试效率和操作人员的理论与技术水平具有重要作用。

说明书

技术领域

本发明属于刚体惯性参数测试技术领域，尤其涉及一种发动机动力总成惯性参数测试 辅助方法。

背景技术

汽车动力总成是由发动机和变速器构成的总成。动力总成通过悬置元件安装在汽车上 构成动力总成悬置系统，为对该悬置系统进行减振、隔振设计,需要准确获取动力总成的 质量、质心、惯性矩和惯性积等基本参数。惯性参数的准确与否对悬置系统的减振、隔振 设计的效果有着重要影响。目前动力总成惯性矩和惯性积参数主要依靠复摆法、三线摆法、 试验模态分析等试验手段测量得到，但是这些测量方法及设备仅能对动力总成的惯性参数 进行测量，却无法对测量结果直接进行校验。然而，任何一种测量方法都没有办法保证在 设备出现故障或存在人为失误的情况下所得到的惯性参数数据的正确性与合理性，测试人 员只能被动地接受测试结果，无法判定测试结果数据的正确性与合理性。而在测量过程中 难免存在仪器故障，操作失误等问题，这就使得悬置系统的设计过程存在一定的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种发动机动力总成惯性参数测试辅助方法，以方便 判定惯性参数测量结果数据的正确性与合理性。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：发动机动力总成惯性参数测试辅助 方法，包括以下步骤：

<1>通过测量发动机动力总成的特征尺寸预估其惯性参数；

<2>根据惯性参数的定义规律判断动力总成惯性参数测量结果数据的正确性；

<3>通过构建惯性参数等效模型，判断发动机动力总成惯性参数测试数据的合理性。

步骤<1>按以下操作进行：测量发动机动力总成的特征尺寸，根据特征尺寸构建与该 发动机动力总成质量相同的三个矩形体组成的匀质实心立方体，通过计算该特征体的惯性 参数，在该发动机动力总成上测试台之前，得到其惯性参数的近似数值。

步骤<2>按以下操作进行：动力总成惯性参数的测量结果包括动力总成质量m，质心 在发动机坐标系O_e-X_eY_eZ_e中的坐标值x_c、y_c、z_c，动力总成在质心坐标系O_c-X_cY_cZ_c的 惯性矩I_xx、I_yy、I_zz，惯性积I_xy、I_yz、I_zx；根据惯性参数的定义：

I_xx＝∫(y²+z²)dm，I_yy＝∫(x²+z²)dm，I_zz＝∫(x²+y²)dm，

I_xy＝∫xydm，I_yz＝∫yzdm，I_zx＝∫zxdm，

可知：

I_xx+I_yy-I_zz＝∫[(y²+z²)+(x²+z²)-(x²+y²)]dm＝∫2z²dm≥0，

I_xx+I_zz-I_yy＝∫[(y²+z²)+(x²+y²)-(x²+z²)]dm＝∫2y²dm≥0，

I_yy+I_zz-I_xx＝∫[(x²+z²)+(x²+y²)-(y²+z²)]dm＝∫2x²dm≥0，

I_xx-2I_yz＝∫(y²+z²)dm-2∫yzdm＝∫(y²+z²-2yz)dm＝∫(y-z)²dm≥0，

I_yy-2I_xx＝∫(x²+z²)dm-2∫xzdm＝∫(x²+z²-2xz)dm＝∫(x-z)²dm≥0，

I_zz-2I_xy＝∫(x²+y²)dm-2∫xydm＝∫(x²+y²-2xy)dm＝∫(x-y)²dm≥0，

若测得的惯性参数不能同时满足以下六个不等式：

I_xx+I_yy≥I_zz，I_xx+I_zz≥I_yy，I_yy+I_zz≥I_xx，I_xx≥2I_yz，I_yy≥2I_zx，I_zz≥2I_xy，

则直接判定动力总成惯性参数测试数据错误。

步骤<3>按以下操作进行：

3.1根据动力总成在质心标系O_c-X_cY_cZ_c内的惯性矩、惯性积测试数据，计算动力总 成的三个主惯性矩和惯性主轴坐标系O_m-X_mY_mZ_m在质心坐标系内的 方向余弦阵：$A=\left(\begin{array}{ccc}\cos (X_c,X_m)& \cos (X_c,Y_m)& \cos (X_c,Z_m)\\ \cos (Y_c,X_m)& \cos (Y_c,Y_m)& \cos (Y_c,Z_m)\\ \cos (Z_c,X_m)& \cos (Z_c,Y_m)& \cos (Z_c,Z_m)\end{array}\right),$其中X_m，Y_m，Z_m分别为惯 性主轴坐标系的坐标轴；

3.2根据动力总成的三个主惯性矩和质量m，计算出惯性矩与其 相等的等效长方体的尺寸和密度：

长度：$a=\sqrt{\frac{6(-J_{\mathrm{xx}}+J_{\mathrm{yy}}+J_{\mathrm{zz}})}{m}},$

宽度：$b=\sqrt{\frac{6(J_{\mathrm{xx}}-J_{\mathrm{yy}}+J_{\mathrm{zz}})}{m}},$

高度：$c=\sqrt{\frac{6(J_{\mathrm{xx}}+J_{\mathrm{yy}}-J_{\mathrm{zz}})}{m}},$

密度：ρ＝m/(abc)；

3.3根据动力总成的惯性主轴坐标轴对质心坐标系的方向余弦阵A，计算出惯性主轴 坐标系O_m-X_mY_mZ_m各坐标轴与质心坐标系O_c-X_cZ_c各坐标轴的夹角；

3.4在发动机动力总成数模中，构建三个边与惯性主轴坐标系坐标轴平行的等效长方 体，等效长方体中心O_m与数模质心O_c重合，形成等效长方体与动力总成数模共存的模型；

或者在步骤<1>中得到的特征体中，构建三个边与惯性主轴坐标系坐标轴平行的等效 长方体，等效长方体中心O_m与特征体质心O_c重合，构成等效长方体与特征体共存的模型；

3.5观察等效长方体在发动机动力总成数模中的方位，对照发动机动力总成质量分布 的特点，通过对照分析等效长方体走向和质量分布规律与发动机动力总成实际质量走向与 质量分布规律是否相符，判断动力总成惯性参数测量结果数据的合理性；

或者观察等效长方体在特征体中的方位，对照特征体质量分布的特点，通过对照分析 等效长方体走向与质量分布规律与特征体的实际质量走向与质量分布规律是否相符，判断 动力总成惯性参数测量结果数据的合理性；

还可根据等效长方体三个边长a、b、c与动力总成对应特征尺寸相对大小关系判断动 力总成惯性参数测量结果数据的合理性。

针对目前已有的发动机动力总成惯性参数测量技术无法检验测量结果数据的正确性 与合理性的问题，发明人建立了一种发动机动力总成惯性参数测试辅助方法，通过惯性参 数定义规律和动力总成质量分布与惯性参数之间的关系来方便地判断动力总成惯性参数 测量结果正确性与合理性，具体是：

<1>测量动力总成的特征尺寸，用特征尺寸构建发动机动力总成的特征体，通过计算 该特征体惯性参数，即可在该发动机动力总成上测试台之前，估算其惯性参数的近似数值；

<2>利用惯性矩、惯性积的定义规律判断动力总成惯性参数测量结果数据的正确性， 不同时符合六个定义规律的测量结果数据肯定是错误的；

<3>根据发动机动力总成的惯性参数测量结果数据，求其主惯性矩与主惯性轴对应的 等效长方体及其三条边的方向，通过比较等效长方体走向和质量分布规律与发动机动力总 成实际质量走向与质量分布规律的一致性，判断动力总成惯性参数测量结果数据的合理 性。

本发明构思巧妙、原理简单、使用方便，既可在测试前估算发动机动力总成的惯性参 数，又可判断通过任何测试系统测得的惯性参数数据的正确性与合理性，对保证测试数据 正确性，提高测试效率和操作人员的理论与技术水平具有重要作用。

附图说明

图1是汽车发动机动力总成悬置系统示意图。

图2是本发明发动机动力总成惯性参数测试辅助方法的流程图。

图3是特征体Y向面视图。

图4是特征体X向面视图。

图5是特征体Z向面视图。

图6是发动机坐标系与质心坐标系。

图7是等效长方体示意图。

图8是等效长方体与动力总成数模共存的模型示意图。

图9是等效长方体与特征体共存的模型示意图，图中：1等效长方体模型，2特征体 模型。

具体实施方式

汽车发动机动力总成悬置系统是指发动机动力总成与车架或车身之间的弹性连接元 件共同构成的系统。一般安装情况如图1所示，圆圈内为起弹性连接作用的悬置元件。通 常动力总成悬置系统分析方程建模时，假设车架是质量无限大的刚体，即直接将悬置元件 一端接地固定，另一端与动力总成连接。

如图2所示，本发明的发动机动力总成惯性参数测试辅助方法，包括以下步骤：

<1>通过测量发动机动力总成的特征尺寸预估其惯性参数；

测量发动机动力总成的特征尺寸，对于四缸横置发动机，测量起止点如图3-5，

动力总成特征尺寸

x₁：变速箱外端面至皮带轮近端面

x₂：机体与变速箱结合面至皮带轮近端面

x₃：机体与变速箱结合面至机油泵变速箱远端面

y：变速箱主轴至机油泵轴

y₃：变速箱主轴至机油泵变速箱外侧面

z₁：油底壳上体底面至发动机缸盖罩气门顶面

z₂：变速箱顶面至发动机缸盖罩气门上端面

z₃：变速箱顶面至机油泵顶面

根据特征尺寸构建与该发动机动力总成质量相同的三个矩形体组成的匀质实心立方 体，称为特征体，其外形如图3-5中所示，通过计算该特征体的惯性参数，在该发动机动 力总成上测试台之前，即可得到其惯性参数的近似数值，该结果误差不超过20％。

通过该步骤可使发动机动力总成惯性参数测试结果数据不出大错。

<2>根据惯性参数的定义规律判断动力总成惯性参数测量结果数据的正确性；

动力总成惯性参数的测量结果包括动力总成质量m，质心在发动机坐标系O_e-X_eY_eZ_e中的坐标值x_c、y_c、z_c(图6)，动力总成在质心坐标系O_c-X_cY_cZ_c的惯性矩I_xx、I_yy、I_zz， 惯性积I_xy、I_yz、I_zx；根据惯性参数的定义：

I_xx＝∫(y²+z²)dm，I_yy＝∫(x²+z²)dm，I_zz＝∫(x²+y²)dm，

I_xy＝∫xydm，I_yz＝∫yzdm，I_zx＝∫zxdm，

可知：

I_xx+I_yy-I_zz＝∫[(y²+z²)+(x²+z²)-(x²+y²)]dm＝∫2z²dm≥0，

I_xx+I_zz-I_yy＝∫[(y²+z²)+(x²+y²)-(x²+z²)]dm＝∫2y²dm≥0，

I_yy+I_zz-I_xx＝∫[(x²+z²)+(x²+y²)-(y²+z²)]dm＝∫2x²dm≥0，

I_xx-2I_yz＝∫(y²+z²)dm-2∫yzdm＝∫(y²+z²-2yz)dm＝∫(y-z)²dm≥0，

I_yy-2I_xz＝∫(x²+z²)dm-2∫xzdm＝∫(x²+z²-2xz)dm＝∫(x-z)²dm≥0，

I_zz-2I_xy＝∫(x²+y²)dm-2∫xydm＝∫(x²+y²-2xy)dm＝∫(x-y)²dm≥0，

若测得的惯性参数不能同时满足以下六个不等式：

I_xx+I_yy≥I_zz，I_xx+I_zz≥I_yy，I_yy+I_zz≥I_xx，I_xx≥2I_yz，I_yy≥2I_zx，I_zz≥2I_xy，

则可直接判定动力总成惯性参数测试数据肯定是错误的。

<3>通过构建惯性参数等效模型，判断发动机动力总成惯性参数测试数据的合理性。

3.1根据动力总成在质心标系O_c-X_cY_cZ_c内的惯性矩、惯性积测试数据，计算动力总 成的三个主惯性矩和惯性主轴坐标系O_m-X_mY_mZ_m在质心坐标系 内的方向余弦阵：$A=\left(\begin{array}{ccc}\cos (X_c,X_m)& \cos (X_c,Y_m)& \cos (X_c,Z_m)\\ \cos (Y_c,X_m)& \cos (Y_c,Y_m)& \cos (Y_c,Z_m)\\ \cos (Z_c,X_m)& \cos (Z_c,Y_m)& \cos (Z_c,Z_m)\end{array}\right),$其中X_m，Y_m，Z_m分别 为惯性主轴坐标系的坐标轴；

3.2根据动力总成的三个主惯性矩和质量m，计算出惯性矩 与其相等的等效长方体的尺寸和密度(图7)：

长度：$a=\sqrt{\frac{6(-J_{\mathrm{xx}}+J_{\mathrm{yy}}+J_{\mathrm{zz}})}{m}},$

宽度：$b=\sqrt{\frac{6(J_{\mathrm{xx}}-J_{\mathrm{yy}}+J_{\mathrm{zz}})}{m}},$

高度：$c=\sqrt{\frac{6(J_{\mathrm{xx}}+J_{\mathrm{yy}}-J_{\mathrm{zz}})}{m}},$

密度：ρ＝m/(abc)；

3.3根据动力总成的惯性主轴坐标轴对质心坐标系的方向余弦阵A，计算出惯性主轴 坐标系O_m-X_mY_mZ_m各坐标轴与质心坐标系O_c-X_cZ_c各坐标轴的夹角；

3.4在发动机动力总成数模中，构建如图7所示的三个边与惯性主轴坐标系坐标轴平 行的等效长方体，等效长方体中心O_m与数模质心O_c重合，形成等效长方体与动力总成数 模共存的模型(图8)；

或者在步骤<1>中得到的特征体中，构建如图7所示三个边与惯性主轴坐标系坐标轴 平行的等效长方体，等效长方体中心O_m与特征体质心O_c重合，构成等效长方体与特征体 共存的模型(图8)；

3.5观察等效长方体在发动机动力总成数模中的方位(图8)，对照发动机动力总成质 量分布的特点(例如在O_c-X_cZ_c坐标面内发动机动力总成质量走向应该是第一象限的汽缸 到第三象限的变速箱，即惯性主轴X_m应该是从第一象限穿过质心到第三象限等)，通过对 照分析等效长方体走向和质量分布规律与发动机动力总成实际质量走向与质量分布规律 是否相符，即可判断动力总成惯性参数测量结果数据的合理性；

或者观察等效长方体在特征体中的方位(图9)，对照特征体质量分布的特点(例如在 O_c-X_cZ_c坐标面内质量走向应该是第一象限的汽缸到第三象限的变速箱，即惯性主轴X_m应该是从第一象限穿过质心到第三象限等)，通过对照分析等效长方体走向与质量分布规 律与特征体的实际质量走向与质量分布规律是否相符，即可判断动力总成惯性参数测量结 果数据的合理性；

还可根据等效长方体三个边长a、b、c与动力总成对应特征尺寸相对大小关系判断动 力总成惯性参数测量结果数据的合理性，例如图7所示的发动机动力总成，一般总有a> c>b>0，若严重不符合这种边长相对值规律，或边长为虚数等，均可说明该发动机动力总 成惯性参数测量结果数据是不合理的。