AVL Excite-Timing Drive软件在齿轮传动系统开发中的应用.pdf

第4期(总第19 2 期)2023年11月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.4(serial No.192)Nov.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.04.007AVL Excite-Timing Drive 软件在齿轮传动系统开发中的应用李晶晶1-2,沈华中1,2,阮志强12,汤旭财1,2（1.一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂，江苏无锡2 140 2 6;2.一汽解放动力总成事业部，江苏无锡2 140 2 6）摘要：针对某款新开发的柴油机进行分析，利用AVLExcite-TimingDrive软件建立齿轮传动系统（简称齿轮系）的多体动力学模型,并耦合配气机构多阀系进行仿真计算,分析在传动过程中各齿轮啮合的平稳性，并依据齿轮的敲击次数和敲击能量对油泵等零部件进行选型。同时根据齿轮在径向平面上的位移，得到齿轮的轴心轨迹，依据轴心轨迹给出了齿轮的油道布置建议。关键词：多阀系；齿轮传动系统；平稳性；敲击；油道中图分类号：TK434.6Application of AVL Excite-Timing Drive Software in Development of Gear Transmission SystemAbstract:Aiming at a newly developed medium diesel engine and using AVL Excite-Timing Drive software,the multi-body dynamicsmodel of gear transmission system was established.The multi valve system of the valve train is coupled for simulation calculation.Themeshing stability of each gear in the transmission process of gear train is analyzed.According to the number of knock times and energyof the gear,the oil pump and other parts are selected.At the same time,according to the displacement of the gear on the radial plane,the axis trajectory of the gear is got.Further according to the trajectory of axle center,the suggestions of gear oil channel layoutare given.Key words:multi valve system;gear transmission system;stationarity;knock;oil channel文献标志码：ALI Jingjing*,SHEN Huazhong,UAN Zhiqiang,TANG Xueail-(1.Wuxi Diesel Engine Factory,FAW Jiefang Automobile Co.,Ltd.,Wuxi 214026,China;2.FAW Jiefang Powertrain Business Division,Wuxi 214026,China)文章编号：16 7 1-5446(2 0 2 3)0 4-0 0 2 9-0 4引言随着柴油机功率的不断增加，柴油机噪声持续增加,柴油机齿轮传动系统是柴油机主要噪声源之一。掌握齿轮系的噪声特性,进而改进柴油机齿轮系的设计,指导相关零部件的选型,达到降低柴油机振动和噪声的目的,将成为柴油机设计过程中的重要环节。本文基于某款新开发的柴油机,利用AVL Ex-cite-Timing Drive 软件建立了从曲轴到气门的整个传动系统模型，并进行仿真计算。重点关注齿轮运转的平稳性,对比不同油泵对齿轮敲击的影响,同时对齿轮油道布置给出了建议。1#模型搭建该款柴油机满足国六排放要求,采用顶置凸轮轴、直列六缸、每缸四气门、双层齿轮系传动设计。首先根据三维模型计算出凸轮轴、摇臂、气门桥、气门、气门弹簧等的质量、刚度等参数,利用AVL Ex-cite-Timing Drive 软件搭建进排气门单阀系模型,设计凸轮型线,进行单阀系运动学、动力学计算。然后依据各个齿轮的尺寸及转动惯量等相关参数建立齿轮系的模型，同时搭建凸轮轴模型,建立完整的从曲轴到气门的多阀系模型，如图1所示。该模型的主要边界包括曲轴后端转速波动、缸内爆压、空压泵及燃油泵等齿轮负载。*收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 5作者简介：李晶晶（19 9 0 一），女，湖北荆州人，工程师，主要从事配气机构计算及相关工作。30现代车用动力2023年第4期2业业幸图1多阀系模型6.000r2动力学计算结果2.1齿轮啮合的平稳性齿轮啮合的平稳性主要通过啮合齿间的相对距离、啮合接触力以及相对速度来评价。其中啮合齿间相对距离通过驱动力,负载,静态齿轮侧隙,齿轮轴、齿轮盘、轮齿的刚度、变形以及运行来反映动态齿隙的变化,体现齿轮啮合的平稳性。通过驱动力、负载、轮齿的刚度、齿轮啮合过程中的重合度等来反映啮合接触力的动态变化，体现齿轮啮合接触力的大小和冲击间隔。啮合齿间相对速度也可以反映齿轮啮合过程中的平稳性及表面磨损情况2 以空压泵中间齿轮为例。其1个工作循环的结果如图2 图4所示，啮合齿间相对距离、啮合接触力、啮合齿间相对速度均考虑了驱动侧和被驱动侧（背隙侧）的情况。其中啮合齿间相对距离为零时对应初始状态,相对距离最大时2 个齿轮接触,可以看出啮合齿间相对距离变化较为平稳、无突变等情况。由于齿轮侧隙以及润滑油存在较小的阻尼，啮合接触力并不呈周期性的变化,负载的存在也导致了驱动侧的啮合接触力较大。从啮合齿间相对距离、啮合接触力以及相对速度可以看出该空压泵中间齿轮啮合平稳，无明显冲击。0.20m0.15H0.10u/0.050.000.05-0.10-0.155720图2 空空压泵中间齿轮啮合齿间相对距离驱动侧5000F背隙侧N/4.000F3 000F2.000F1000-100057200.6r0.4(r-s.u)/率FX0.20.00.20.4-0.6720图4空压泵中间齿轮啮合齿间相对速度2.2齿轮敲击次数和敲击能量对比在建模过程中需要输入用于评估齿轮是否发生敲击的相关参数，该参数用于软件判定敲击次数和敲击能量。其中设定啮合冲击力的限值为10 0 N，当敲击力低于10 0 N时不考虑为冲击;设定相对速度限值为0.1 m/s,若敲击前齿轮相对速度低于该驱动侧隙侧9001080曲轴转角/()19001.080曲轴转角/）图3空压泵中间齿轮啮合接触力9001080曲轴转角/）值不考虑为冲击。由于柴油机实际运转过程中噪声源较多,且齿轮的敲击测量较为困难,因此软件计算得到的敲击次数和敲击能量无法与实际柴油机运转过程中的齿轮敲击情况进行对应分析，但可以用来查找与敲击相关的重要参数，以及用于对比不同厂家的零部件对齿轮敲击的影响。本次计算过程中对12601440-12601440驱动侧背隙侧126014402家供应商的油泵进行了对比计算,如图5、图6 所示,横坐标1为油泵齿轮,2 为油泵中间齿轮,3为叠齿轮（大）,4为空压泵中间齿轮,5 为空压泵齿轮,62023年第4期为凸轮轴中间齿轮一,7 为凸轮轴中间齿轮二,8 为凸轮轴齿轮。201816141086420112108642李晶晶，等：AVLExcite-TimingDrive软件在齿轮传动系统开发中的应用一供应商一一一供应商二工123图5敲击次数对比一供应商一一一供应商二工23图6 敲击能量对比31为图中箭头所指的方向。由于叠齿轮在模型中被分为了2 个齿轮模型,因此取叠齿轮轴的轴心轨迹。齿轮在运动过程中，会带动固定的齿轮轴发生位移，齿轮轴的位移方向与齿轮的位移方向一致,因此可以将叠齿轮轴的轴心运动轨迹等同于叠齿轮的轴心运行轨迹。以空压泵齿轮(图7)为例,可以看出其主要偏移方向为左下方，该地方为最小油膜厚度出现的位置，该位置容易出现齿轮衬套的磨损。为保0.010一1上45456677880.0050.000-0.005-0.0105-0.010图7 空空压泵齿轮轴心位置0.010一1-0.005Y向位移/mm00.0050.010根据2 家油泵供应商提供的油泵扭矩,分别在多阀系模型中进行相应计算,对比其敲击次数和敲击能量。可以看出,采用供应商一的油泵时,油泵齿轮、油泵中间齿轮的敲击次数和敲击能量较低,凸轮轴中间齿轮二的敲击能量较低。采用供应商二的油泵时,叠齿轮（大）、空压泵中间齿轮、空压泵齿轮、凸轮轴中间齿轮一、凸轮轴齿轮的敲击次数和敲击能量较低,凸轮轴中间齿轮二的敲击次数较低。整体而言,齿轮系的敲击次数和敲击能量在使用供应商二的油泵时要比使用供应商一的油泵时低一些，因此建议选择供应商二的油泵,降低齿轮系的噪声。2.3齿轮的轴心轨迹齿轮在运转过程中承受着周期性的载荷,在其高速旋转的过程中其轴心位置会呈现出比较规律的变化。根据计算结果,可以得到各个齿轮轴心在X，Y,Z轴上的运动轨迹，也可以得到各齿轮轴心在径向面上的轴心轨迹。根据轴心轨迹的变化可以分析出齿轮与齿轮衬套之间的最小油膜厚度出现的位置,进而判断出齿轮衬套的磨损位置,并依此给出油道布置建议。如图7 图13所示，根据各个齿轮的轴心轨迹，可以得到齿轮在其径向面上的主要偏移方向，大约0.0050.000-0.005H-0.0105-0.010图：空压泵中间齿轮轴心位置0.010一0.0050.000-0.005-0.010-0.010图9凸轮轴中间齿轮一轴心位置1-0.005Y向位移/mm-0.0050Y向位移/mm00.0050.0050.0100.01032现代车用动力0.0100.0100.0050.0050.000wu/z0.000-0.005H-0.005H-0.010-0.010图10凸轮轴中间齿轮二轴心位置0.0100.0050.0000.005-0.010-0.010图11油油泵齿轮轴心位置0.0100.0050.0002023年第4期-0.0050Y向位移/mm0.0050Y向位移/mm0.0050.0050.0100.0101-0.0105-0.010图13叠齿轮轴心位置证润滑油的润滑效果,因此建议将润滑油道布置在右上方。依据此方法可以得到空压泵中间齿轮（图8）、凸轮轴中间齿轮一（图9）、凸轮轴中间齿轮二（图10）、油泵齿轮（图11）、油泵中间齿轮（图12）、叠齿轮（图13）等所有齿轮的油道布置建议。3丝结束语根据柴油机齿轮系及配气机构的相关参数，利用AVLExcite-TimingDrive软件搭建从曲轴到气门的整个传动系统模型。根据模型计算结果对齿轮运转平稳性进行评价，并依据敲击次数和敲击能量对油泵进行选型，依据齿轮轴心运行轨迹给出油道布置建议,进一步优化了齿轮传动系统设计，达到了降低齿轮振动和噪声的目的。参考文献：-0.005Y向位移/mm00.0050.010-0.005-0.0105-0.010图12 浪油泵中间齿轮轴心位置1李仁科.柴油机齿轮传动系统振动噪声仿真研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 16.2王传娟.某型低速单缸柴油机曲轴强度及平衡系统设计-0.0050Y向位移/mm0.0050.010研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学,2 0 15.