第40卷 第2期吉林大学学报(工学版) Vol.40 No.22010年3月Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition ) Mar.2010收稿日期:2008205213.基金项目:国家自然科学基金项目(50575024).作者简介:金辉(19722),男,副教授,博士.研究方向:汽车自动变速技术.E 2mail :jinhui @柴油机电子油门系统的优化设计金 辉,王昊森,陈慧岩(北京理工大学机械与车辆学院,北京100081)摘 要:比较了不同油门机构方案的特点,分析了采用连杆机构的电子油门机构各零件的设计准则,并完成了其零件的几何参数确定、零件设计和强度校核,这种综合应用了CA TIA 、Mat 2lab &Simulink 和MSC.Adams 等设计辅助软件进行的系统优化设计可以对设计方案进行综合分析和快速修改,大大缩短了设计周期。
介绍了电子油门试验系统的组成,进行了电子油门系统的台架和实车试验。
试验结果表明,所设计的系统具有优良的随动和调速性能,装有该电子油门系统的机械式自动变速系统不但可以获得良好的乘坐舒适性,还可以大大减少离合器主、从动盘同步的时间,提高了离合器的使用寿命。
关键词:动力机械工程;柴油机;电子油门;机械式自动变速器;优化设计中图分类号:T K42;TP391.75 文献标志码:A 文章编号:167125497(2010)022*******Optimization design of electronic accelerator system of diesel engineJ IN Hui ,WAN G Hao 2sen ,C H EN Hui 2yan(S chool of Mechanical and V ehicular Engineering ,B ei j ing I nstitute of Technology ,B ei j ing 100081,China )Abstract :The feat ures of different design concept s of t he diesel engine elect ronic accelerator system were compared ,t he design criteria of t he elect ronic accelerator wit h t he linkage mechanism were analyzed.The geomet ric parameters and construction of it s co mponent s were defined ,t heir st rengt hs were checked ,and t he optimization was realized by t he comp uter 2aided design softwares such as CA TIA ,Matlab &Simulink ,MSC.Adams ,which are capable of analyzing comprehensively t he design concept s and t heir rapid modification ,t hus shorten t he design cycle greatly.The set 2up of t he electronic accelerator test system was introduced and it s engine bench test and vehicle test were performed.The test result s show t hat t he developed system is characterized by good speed follow 2up and regulation performances.An automated manual t ransmission wit h t he developed elect ronic accelerator system gives out good vehicle ride comfort and reduces t he synchronizing period of driving and driven plates of t he clutch to enhance it s life span.K ey w ords :power machinery and engineering ;diesel engine ;elect ronic accelerator system ;automated manual t ransmission ;optimization design 乘坐舒适性不好和离合器使用寿命较短是制约机械式自动变速器(AM T )成功商业化最主要的两个方面。
对于采用非电控发动机或者不能实现发动机和变速器协同控制的机械式自动变速系统,加装电子油门是解决上述两大难题最有效的方法[127]。
吉林大学学报(工学版)第40卷本文应用了CA TIA,Matlab&Simulink, MSC.Adams等设计辅助软件,实现了柴油机电子油门的优化设计[8]。
1 油门机构方案的选择和确定实现电机对柴油机油门拉臂的控制,可以采用3种方案:①由电机直接驱动油门拉臂;②由电机带动转盘通过拉索或链条驱动油门拉臂;③由电机通过连杆机构驱动油门拉臂。
第①种方案具有最简单的机械结构,且电机的输出与油门拉臂处的输入完全同步,是一个完全线性的系统,但电机支架的设计、加工和电机的安装位置都必须非常精确。
第②种方案具有最好的力矩放大特性,可以选用输出转矩较小的电机,且由于柔性传动环节的存在,机构在空间布置上比较灵活,受限制少,但机构的结构比较复杂,使用的零件基本上都不是标准件或通用件,不利于加工和维修。
第③种方案结构比较简单,对系统的设计精度要求不高,且易于使用标准件和通用件,加工维修方便。
通过优化零件参数,也能获得一定的力矩放大特性,从而可以使用输出转矩较小的电机,缺点是可能存在拐点和死点,并且存在电机的输出力矩被缩小的可能。
因此系统在设计过程中就必须经过优化,解决上述可能存在的问题。
经过全面的评估,决定采用第③种方案。
虽然该方案在机构的运动特性和力矩放大特性上都不是最优的,但在这两方面平衡得比较好,且加工维护性好。
通过机构零件的优化设计,可以使机构的运动特性和力矩放大特性都比较理想。
2 油门机构各零件的设计准则2.1 油门输入臂长度及电机输出臂长度的确定油门输入臂长度即为油门拉臂的工作长度。
设计时在考虑发动机空间位置的基础上,确定其长度为40mm,并且将该值作为基准,进行机构其他零件参数的优化。
电机输出臂的长度会影响电机输出的力矩和电机的转动范围。
其长度需要根据机构的计算来确定。
设计的油门连杆机构的示意图如图1所示。
在图1中,取坐标原点O0和O1分别为油门拉臂与油门轴的配合中心、电机输出臂与电机轴的配合中心,x0轴和x1轴分别为油门轴和电机轴,其矢量分别为U0,U1。
机构中连杆的两连接点(球铰)分别落在y0z0、y1z1平面内。
图1 油门连杆机构示意图Fig.1 Sketch map of the rod link age mechanism在计算中,取O0系为基准坐标系,因此有O0=[0,0,0]TU0=[1,0,0]T 设A、A0为油门拉臂上球铰在O0系中的坐标,其中A0为起始位置;B、B0为电机输出臂上球铰在O1系中的坐标,其中B0为起始位置;O1为O1系原点在O0系中的平移矢量;O0A为油门拉臂的有效长度;O1B为电机输出臂的有效长度;A B为连杆的有效长度。
电机输出臂的长度计算如下:(1)将O1系平移到O0上使两坐标系原点重合。
(2)使用旋转矩阵Q1将B点旋转到目标位置。
(3)将O1系平移回实际位置。
[B]=[Q1]([B0]-[O1])+[O1](1)[Q1]=2(q20+q21)-12(q1q2-q0q3)2(q1q3+q0q2) 2(q1q2+q0q3)2(q20+q22)-12(q2q3+q0q1) 2(q1q3-q0q2)2(q2q3+q0q1)2(q20+q23)-1(2)q0=cos(α1/2)q1=X U sin(α1/2)q2=Y U sin(α1/2)q3=Z U sin(α1/2)(3)式中:α1为从初始位置开始的转动角度。
(4)使用旋转矩阵Q2转动A点,用数值方法求解满足A B距离等于连杆设计长度(即计算误差小于给定误差上限)的A点坐标。
853第2期金 辉,等:柴油机电子油门系统的优化设计(5)步骤(1)～(4)完成了某一点上的机构计算,重复这个过程,完成整个转动范围内的计算。
旋转矩阵中使用的转轴矢量U必须是单位向量,否则计算结果不正确。
计算后,根据得出的数据就可以确定电机输出臂的长度。
2.2 油门转角范围以及电机转角范围的确定油门转角按照柴油机本身的要求确定,必须能在整个工作范围内转动,即从油门最小位置变化到油门最大位置。
以东风康明斯公司的EQB235220柴油发动机为研究对象,该发动机的油门拉臂转角一共为45°。
电机转角由具体的设计方案确定。
对于电子油门系统,必定满足T t dθ0=T m dθ1(4)式中:T t为油门拉臂阻力矩;T m为油门电机转矩;θ0为油门拉臂从起始位置开始的转角;θ1为油门电机从起始位置开始的转角。
对式(4)两边求导,可得T tω=T mω1(5)式中:ω0为油门拉臂角速度;ω1为油门电机角速度。
由式(4)可知,电机的转角范围越大,电机需要输出的平均转矩就越小。
由式(5)可知,对于机构在任何一点的运动情况,其力矩放大比就等于两角速度的反比。
在后文中就是通过分析角速度的比值来确定机构力矩放大比的。
2.3 连杆长度的确定连杆长度决定电机转角的起始位置。
电机的安装位置也直接决定连杆所需要的长度。
当机构为平行四边形结构时,在任意时刻,电机输出臂和油门拉臂平行,T m=T t,dθ0=dθ1。
在这种特殊情况下,连杆长度只取决于电机的安装位置。
图2绘制了连杆长度为84mm,油门拉臂长度为18mm时油门机构的输出特性曲线。
取电机输出轴以36°/s的角速度转动,仿真时间为10 s,总步数为500步。
可以看到电机旋转360°时油门机构相应的输出特性。
由式(6)可知,角速度曲线的绝对值越大,则该转角位置的力矩放大比就越小。