CN103913311B - 一种发动机起动特性的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机起动特性的试验装置，包括基座、固定于所述基座的飞轮，以及向所述飞轮加载恒定扭矩的第一加载装置，还包括对所述飞轮加载波形扭矩的第二加载装置。第一加载装置施加的恒定扭矩与第二加载装置施加的波形扭矩结合，共同作用于飞轮，则飞轮的受力情况与真实情形十分接近，从而能够合理地模拟发动机的起动特性。

Description

一种发动机起动特性的试验装置

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种发动机起动特性的试验装置。

背景技术

发动机通常与起动机配合工作，发动机的飞轮与起动机的齿轮啮合，并由起动机的齿轮带动飞轮旋转，以实现发动机的起动。

发动机的飞轮外套有齿圈，起动机的齿轮通过与该齿圈啮合，进而将起动机的转矩传递给发动机的飞轮及曲轴，最终带动发动机的活塞在缸内移动。

为考核发动机的起动特性，如起动机的受力状况、齿圈和起动机齿轮的啮合状况，以及齿圈的耐久性等，现有典型的试验方法有以下两种：

第一种是在实际工作环境中进行试验，即将被测的起动机和齿圈安装在实体发动机上，整机起动的同时进行试验，这种方法操作简便、得到的试验数据可靠性高，但是将消耗大量燃油，导致成本耗费较大，并且极易损害发动机。

第二种是利用起动机耐久试验装置，即将起动机、发动机的飞轮和齿圈等安装在试验装置上，齿圈上通常还安装有摩擦片等能够对起动机施加阻力的部件。起动机与齿圈啮合后，带动齿圈和飞轮旋转，旋转过程中，齿圈上的摩擦片为起动机施加恒定的阻力，用于模拟发动机对起动机的摩擦阻力。

请参考图1，图1为第二种试验方法对起动机施加的阻力和实际起动机受到的阻力简图。

第二种试验方法虽然降低了试验成本，但是，其具有以下几个缺点：

第一，该方法对起动机施加的摩擦阻力为恒定值(如图中虚线所示)，而实际上，在起动机带动齿圈旋转初期，起动机不仅克服上述恒定值的摩擦阻力，还克服压缩冲程中周期性变化的压缩阻力(如图中实线所示)，而后者是该试验方法所无法模拟的，可见，该试验方法无法模拟真实的发动机起动时起动机的受力情况。

第二，起动机起动发动机的过程中，飞轮转速逐渐提高，齿圈将拖动起动机的驱动齿轮高速旋转，当驱动齿轮的转速超过起动机的电枢轴转速时，起动机的超速保护装置应该能使驱动齿轮与电枢轴脱开，对起动机的电枢轴进行保护。该试验方法并不能对超速保护装置进行验证。

第三，对于同一发动机，每完成一次起动机耐久性试验，发动机的飞轮和齿圈均停止在固定区域。以六缸直列机为例，由于气缸内压缩、膨胀行程的作用及曲轴曲拐间隔角度原因，该区域为飞轮和齿圈圆周上每间隔120度的三个位置，并且允许两侧偏差0-3度。当下一次试验开始时，起动机齿轮总是啮合在齿圈上述三个位置上，造成齿圈这三个位置磨损及变形严重。该试验方法并不能对齿圈的上述特性进行试验研究。

综上所述，如何提供一种发动机起动特性的试验装置，能够合理地模拟发动机起动时起动机的受力状况，尤其是其受到的由发动机作用的变化的扭矩，是本领域的技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的为提供一种发动机起动特性的试验装置。该试验装置能够合理地模拟发动机起动时起动机的受力状况，尤其是其受到的由发动机作用的变化的扭矩。

为解决上述技术问题，本发明提供一种发动机起动特性的试验装置，包括基座、固定于所述基座的飞轮，以及向所述飞轮加载恒定扭矩的第一加载装置，还包括对所述飞轮加载波形扭矩的第二加载装置。

第一加载装置施加的恒定扭矩与第二加载装置施加的波形扭矩结合，共同作用于飞轮，则飞轮的受力情况与真实情形十分接近，从而能够合理地模拟发动机的起动特性。

优选地，所述第二加载装置包括凸轮、与所述凸轮适配的凸轮轴，以及垂直所述凸轮轴向所述凸轮加载的伸缩部；所述凸轮轴和所述飞轮的飞轮轴连接。

优选地，所述伸缩部包括液压缸，所述液压缸的柱塞与所述凸轮的表面接触。

优选地，所述液压缸的数目与所述凸轮的凸点数目相同。

优选地，还包括与所述基座固定的液压缸固定件。

优选地，所述液压缸固定件包括固定环，所述凸轮位于所述固定环的中心。

优选地，所述凸轮轴与所述飞轮轴通过法兰连接。

优选地，所述第二加载装置包括连接于所述飞轮轴的曲轴和与所述曲轴适配的活塞组件，以及与所述活塞组件适配的气缸。

优选地，所述第一加载装置包括转速输出部，所述转速输出部向所述飞轮输出预定转速。

优选地，所述第一加载装置包括电力测功机。

优选地，所述电力测功机的机轴与所述凸轮轴通过法兰连接。

优选地，还包括与所述基座固定的起动机固定架，以及连接于所述起动机固定架与所述飞轮轴之间的支撑件。

附图说明

图1为第二种试验方法对起动机施加的阻力和实际起动机受到的阻力简图；

图2为本发明提供的发动机起动特性的试验装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为图2中第二加载装置的结构示意图，示出第二加载装置的液压缸的柱塞伸出至极限位置；

图4为图2中第二加载装置的结构示意图，示出第二加载装置的液压缸的柱塞缩回至极限位置；

图5为图2中的发动机起动特性的试验装置的剖视图，示出该试验装置具有支撑件。

图2-图5：

基座100、飞轮200、飞轮轴300、起动机400、凸轮501、凸轮轴502、液压缸503、柱塞5031、固定环601、电力测功机701、机轴7011、起动机固定架800、支撑件900、法兰10a

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本发明提供的发动机起动特性的试验装置的一种具体实施方式的结构示意图。

如图2所示，该试验装置包括基座100、与所述基座100固定的飞轮200，该飞轮200由起动机400驱动，上述飞轮200和起动机400均相对该基座100固定，二者可以分别由各自的固定装置连接至基座100，也可以通过同一固定装置与基座100连接。发动机起动过程中，起动机400受到以下两方面的作用力影响：发动机内部各零部件之间的摩擦阻力，以及气缸内压缩气体传递的作用力。为准确模拟二者对发动机起动特性的影响，该试验装置还设置第一加载装置和第二加载装置。

第一加载装置用于向飞轮200施加恒定数值的扭矩，以模拟发动机内各零部件之间的摩擦阻力对飞轮200的影响。

第二加载装置独立于第一加载装置，用于向飞轮200施加波形扭矩。应当理解，所述波形扭矩是指，其变化曲线中具有波峰和波谷，二者周期性交替出现，如按照正弦波形变化的扭矩等。无论其具体形式如何，其变化规律应该与由真实发动机气缸内气体做功或者被压缩而对飞轮200产生的扭矩的变化规律一致，该扭矩的波峰值与波谷值可以相同，也可以不同，波形扭矩的具体形式可以通过调整第二加载装置的结构尺寸、结构形式等做合理的设计，或者对施加的扭矩的数值大小、作用方向做相应改变而实现。

第一加载装置施加的恒定扭矩与第二加载装置施加的波形扭矩结合，共同作用于飞轮200，则飞轮200的受力情况与真实情形十分接近，从而能够合理地模拟发动机的起动特性。

在上述实施方式的基础上，第二加载装置可以为以下形式：

第二加载装置包括凸轮501和与该凸轮501适配的凸轮轴502，凸轮501与凸轮轴502能够同步转动，凸轮轴502的一端与飞轮轴300固定连接，以将凸轮501产生的所述波形扭矩传递给飞轮轴300。另外，还包括向凸轮501加载的伸缩部，该伸缩部应该能够向凸轮501施加垂直于凸轮轴502的作用力，包括推力和阻力，则二者即为形成力矩的力，而凸轮501的转动半径即为形成力矩的力臂，力与力臂配合形成能够使凸轮501旋转的扭矩。

通过以下两方面措施能够使第二加载装置施加的波形扭矩与实际发动机起动时施加给飞轮200的扭矩一致：

第一，对实际发动机工作时的状况进行检测，据此对伸缩部提供的推力和阻力的数值大小进行合理设置；

第二，凸轮501的承压面上各点距凸轮轴502的轴心距离不同，该距离即为上述形成扭矩的力臂，因此，根据发动机活塞压缩阻力的曲线设计凸轮501的型线结构，可以得到合适的力臂以与伸缩部提供的推力或者阻力适配形成满足要求的波形扭矩。

该方案采用凸轮机构与伸缩部相结合的设计，将伸缩部的往复运动转变为飞轮200的旋转运动，即，伸缩部运动时产生的推力和阻力作用在凸轮501上，之后，转变为凸轮501的扭矩，传递给凸轮轴502后，继续作用于飞轮轴300，最终带动飞轮200旋转，为飞轮200施加波形扭矩。

凸轮机构占地空间小，移动灵活，该方案在精简了试验装置的前提下，准确地对发动机的起动特性进行了试验。

当然，还可以采用能够直接向飞轮200施加所述波形扭矩的加载仪器，只是该加载仪器需要具有较高的加载频率，以模拟发动机工作时的真实转动频率，如此，则试验成本将有所提高。

请参考图3与图4，图3为图2中第二加载装置的结构示意图，示出第二加载装置的液压缸的柱塞伸出至极限位置；图4为图2中第二加载装置的结构示意图，示出第二加载装置的液压缸的柱塞缩回至极限位置。

进一步地，上述伸缩部可以为液压缸503，该液压缸503的柱塞5031与凸轮501的表面接触，工作人员通过控制液压缸503内的液压油的压力控制柱塞5031伸出时对凸轮501的推力，以及柱塞5031缩回时对凸轮501的阻力。液压缸503的安装位置以能够使柱塞5031伸出至极限位置时与凸轮501的两凸点中间接触，而缩回至极限位置时与凸轮501的凸点接触为原则，从而使液压缸503能够准确地向凸轮501施加作用力。

具体地，凸轮501的凸点数目应该根据被模拟的发动机所具有的气缸数目而定，以下以六缸发动机为例进行说明：

采用具有三个凸点的凸轮501，凸点均匀分布于凸轮501的承压面上，即三个凸点与凸轮轴502轴心的三条连线间隔120度。液压缸503的柱塞5031回缩至极限位置时，恰好与凸轮501的凸点接触；伸出至极限位置时，恰好与两凸点的中间位置的承压面接触。起动机400主动输出时，将带动飞轮200和飞轮轴300同步旋转，由于凸轮轴502与飞轮轴300固定连接，则凸轮轴502将带动凸轮501与飞轮200同步旋转。

如图3所示，以柱塞5031伸出至极限位置时为起点，凸轮501开始旋转时，对柱塞5031作用有使其缩回的作用力，柱塞5031在凸轮501的作用下逐渐回缩，使液压缸503内的液压油压力升高，同时对凸轮501的旋转产生阻力，模拟活塞压缩气体时对飞轮200作用的扭矩，即模拟发动机的压缩冲程。

如图4所示，当凸轮501驱动柱塞5031缩回至极限位置时，柱塞5031与凸轮501的凸点接触，由于具有惯性，凸轮501将继续转动而使凸点与柱塞5031分离，液压缸503内的液压油压力推动柱塞5031继续伸出，而推动凸轮501继续转动，模拟气体推动活塞做功时对飞轮200作用的扭矩，即模拟发动机的做功冲程。

起动机400停止驱动后，凸轮501将在柱塞5031的作用下逐渐停止旋转，参考凸轮501的结构形状，凸轮501停止运转时，柱塞5031将接触两凸点中间位置的承压面，此位置也即为液压缸503和凸轮501停止运动的平衡位置。需要说明的是，对于六缸发动机，同一凸轮501存在三个所述的平衡位置，三者中的任一者均能够成为柱塞5031的停止位置。则凸轮501和柱塞5031即使经过若干次循环运转，也将停止在上述平衡位置，相应地，飞轮200也将同步停止运转，飞轮200的停止位置将与柱塞5031的停止位置相匹配，即飞轮200具有三个沿圆周均匀分布的停止位置。

凸轮501每旋转一周，柱塞5031三次到达其极限位置，模拟真实的六缸发动机曲轴旋转一周存在三个压缩冲程和三个做功冲程，由此，可以得到以下规律：凸轮501的凸点数目是发动机的气缸数目的二分之一。

以上以六缸发动机为例介绍第二加载装置的加载过程，其它类型的发动机与其类似，如，模拟四缸发动机的试验装置采用两凸点的凸轮501，模拟八缸发动机的试验装置采用四凸点的凸轮501，模拟十二缸发动机的试验装置采用六凸点的凸轮501。

第二加载装置采用凸轮501、凸轮轴502及液压缸503配合的结构，该结构的形式简单，机构紧凑，试验成本较低；并且，由于飞轮200具有沿圆周均匀分布的固定的停止位置，这与真实发动机中飞轮200总是停止在圆周上每间隔固定角度的位置上的特性匹配，能够准确对齿圈的磨损性能进行试验；另外，该装置不涉及燃油燃烧，能耗低，污染小。

当然，伸缩部还可以采用其他结构，只要能够向凸轮501施加推力和阻力，与凸轮501的转动半径配合形成波形扭矩即可，如弹簧，只是对其弹力的控制机构较为复杂。

在上述实施方案中，液压缸503的数目可以与凸轮501的凸点数目相同，如，模拟六缸发动机的试验装置具有三个液压缸503，各液压缸503分别对应凸轮501的各凸点。

如此设计具有以下优势：

第一，将推动或者阻碍凸轮501旋转的液压油压力分布给每个液压缸503，则每个液压缸503的体积将有所减小；

第二.均布凸轮501的受力点，有利于凸轮轴502均匀受力，避免凸轮轴502由于局部受力频繁而破坏；

第三，多个液压缸503通过不同位置对凸轮501施加作用力将能够更可靠地对柱塞5031停止位置进行限制，即保证飞轮200停止在上文所述的固定的停止位置。

进一步地，液压缸503可以通过液压缸固定件与基座100固定。

各液压缸503均通过液压缸固定件与基座100固定，更有利于保证各液压缸503工作时互相保持相对静止，从而避免由于各液压缸503动作不同步而影响对凸轮501施加的作用力的准确度。

更近一步地，上述液压缸固定件可以包括固定环601，将凸轮501设置于该固定环601的中心位置。

如图3与图4所示，凸轮501位于该固定环601中心，则液压缸503可以均匀分布在该固定环601上，充分地利用环形结构加工方便，对称性好的特点。

当然，该液压缸固定件还可以为其他结构形式，如矩形框体，或者自基座100伸出的条形支撑结构等。

第二加载装置还可以具有另一种实施方式，比如，包括与飞轮轴300连接的曲轴、与该曲轴适配的活塞组件，以及与该活塞组件配合工作的气缸，并且，该曲轴、活塞组件和气缸均与真实发动机内的结构一致。

如此，活塞组件在气缸内移动时，将带动曲轴旋转而产生扭矩，曲轴将该扭矩传递给飞轮轴300和飞轮200，进而反作用于起动机400，由于，各部件均采用真实发动机内的结构，所以能够较准确地模拟气缸内气体做功或者被压缩时对飞轮200产生的波形扭矩。只是，该方式的成本较设计凸轮501和液压缸503组合高，但是还是远远低于背景技术中采用真实发动机进行试验的方式。并且，该方案中无需对气缸内气体打火，与发动机整机试验相比不对环境造成污染。

上述各方案中的第一加载装置还可以包括转速输出部，该转速输出部可以直接与飞轮轴300连接，也可以通过其他结构与飞轮轴300连接，如连接至凸轮501和液压缸503方案中的凸轮轴502，或者连接至曲轴和活塞组件方案中的曲轴，无论何种连接形式，只要能够通过飞轮轴300向飞轮200施加预定转速即可。

在起动机400的转速满足发动机的着火要求时，第一加载装置和第二加载装置均停止工作，发动机停止驱动而被飞轮200拖动旋转，转速输出部开始输出恒定转速，该转速的数值为发动机怠速转速，以模拟发动机起动成功。此时，若起动机400的齿轮与飞轮200的齿圈脱开，则起动机400的超速保护装置工作有效，起动成功；反之，则该超速保护装置故障，起动失败。

可见，设置该转速输出部后，能够对起动机400的超速保护装置进行试验验证，从而完善发动机起动特性试验的试验项目。

具体地，上述第一加载装置可以包括电力测功机701，该电力测功机701不仅能够输出恒定转速以对起动机400的超速保护装置进行验证，还能够输出恒定扭矩，以模拟发动机各部件对飞轮200的摩擦阻力的影响，该扭矩的数值根据测量得到的或者根据经验确定的发动机各零部件之间的阻力而定。

当然，还可以单独设置转速输出装置，如电机等，而第一加载装置仅具有施加恒定扭矩的作用，如力矩负载系统等。无论第一加载装置如何设计，只要飞轮200能够作用有转速和恒定扭矩即可。

在上述方案的基础上，由于法兰轴的连接方式具有较好的同轴度，并且不破坏轴自身结构的特点，可以在飞轮轴300与凸轮轴502的连接端，以及凸轮轴502与电力测功机701的机轴7011的连接端均设置有法兰10a，即电力测功机701的机轴7011、凸轮轴502、飞轮轴300均为互相适配的法兰轴。当然，上述各连接端也可以不设置法兰10a，而通过焊接等形式固定连接。

请参考图5，图5为图2中的发动机起动特性的试验装置的剖视图，示出该试验装置具有支撑件。

更进一步地，该试验装置还具有与基座100固定的起动机固定架800，起动机400连接于该起动机固定架800。则不同尺寸、不同位置的起动机400均可以通过该固定架连接至基座100，而不破坏基座100的本体结构，使用方便。

另外，起动机固定架800与飞轮轴300之间还可以设置有支撑件900，以改善飞轮轴300与起动机固定架800的连接处的受力状态，延长试验装置的使用寿命。

上述各方案中，还可以具有主控制器和液压控制系统，以对第一加载装置和第二加载装置等输出控制指令，例如，控制凸轮501和液压缸503方案中的液压缸503，以提高试验装置的自动化程度。

以上对本发明所提供的一种发动机起动特性的试验装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种发动机起动特性的试验装置，包括基座(100)、固定于所述基座(100)的飞轮(200)，以及向所述飞轮(200)加载恒定扭矩的第一加载装置，其特征在于，还包括对所述飞轮(200)加载波形扭矩的第二加载装置。

2.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述第二加载装置包括凸轮(501)、与所述凸轮(501)适配的凸轮轴(502)，以及垂直所述凸轮轴(502)向所述凸轮(501)加载的伸缩部；所述凸轮轴(502)和所述飞轮(200)的飞轮轴(300)连接。

3.如权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述伸缩部包括液压缸(503)，所述液压缸(503)的柱塞(5031)与所述凸轮(501)的表面接触。

4.如权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述液压缸(503)的数目与所述凸轮(501)的凸点数目相同。

5.如权利要求4所述的试验装置，其特征在于，还包括固定于所述基座(100)的液压缸固定件。

6.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述液压缸固定件包括固定环(601)，所述凸轮(501)位于所述固定环(601)的中心。

7.如权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述凸轮轴(502)与所述飞轮轴(300)通过法兰连接。

8.如权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述第二加载装置包括连接于所述飞轮轴(300)的曲轴和与所述曲轴适配的活塞组件，以及与所述活塞组件适配的气缸。

9.如权利要求2-7任一项所述的试验装置，其特征在于，所述第一加载装置包括转速输出部，所述转速输出部向所述飞轮(200)输出预定转速。

10.如权利要求9所述的试验装置，其特征在于，所述第一加载装置包括电力测功机(701)。

11.如权利要求10所述的试验装置，其特征在于，所述电力测功机(701)的机轴(7011)与所述凸轮轴(502)通过法兰连接。

12.如权利要求11所述的试验装置，其特征在于，还包括固定于所述基座(100)的起动机固定架(800)，以及连接于所述起动机固定架(800)与所述飞轮轴(300)之间的支撑件(900)。