汽车发动机台架试验台设计.doc
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毕业设计（论文）报告纸
汽车发动机台架试验台设计
14机械工程及自动化（汽车）指导教师
【摘要】随着科技的进步，汽车早已不是稀缺资源，而是普通大众都能消费得起的代步工具。
汽车公司越来越多，竞争越来越激烈。
为了在竞争中取得有利地位，各大汽车公司都加大研发力度去提高整车质量。
发动机作为汽车的核心，是研发的重中之重。
因此，一个设计精良的发动机台架试验台对于发动机试验来说意义重大。
本设计主要对地平铁、发动机支架、传动轴、测功器、冷却系统、燃油系统、进气系统、供电系统、通风换气系统、温度控制系统和安全系统等进行研究。
它们是发动机台架试验台的主要组成部分，是影响发动机试验的重要因素。
通过分析表明，试验台基础要有足够的强度去满足支撑的要求。
设计发动机支架时可以通过改变支撑腿和横梁的位置，去适应不同类型的发动机。
设计传动轴时，要分析系统的振动频率，防止出现共振。
选用挠性万向节，满足台架试验的需求。
交流电力测功器效率高，还可以将发动机的动能转换成电能。
发动机试验台的布局科学又合理，安全系统使试验变得便捷和安全。
【关键词】发动机台架试验测功器传动轴发动机支架
【Abstract】Withtheprogressofscienceandtechnology,theautomobileisnotascarceresource,butordinarypeoplecanaffordthemeansoftransport.Moreandmoreautomobilecompaniesentertheautomotiveindustry,whichleadstotheintensecompetition.Inordertoobtainanadvantageouspositioninthecompetition,manyautomobilecompaniespayattentiontoresearchanddevelopmenttoimprovethequalityofthevehicle.Engineasthecoreoftheautomobile,isthemostimportantinresearchanddevelopment.So,anexcellentdesignofenginebenchtestbedisgreatsignificanceforenginetest.
Thisdesignmainlystudytheironfloor,enginesupport,driveshaft,dynamometer,coolingsystem,fuelsystem,intakesystem,powersupplysystem，ventilationsystem,temperaturecontrolsystem，safetysystemandsoon.Theyarethemaincomponentsoftheenginebenchtestbed,whichareimportantinfluencefortheenginetest.
Theanalysisshowsthatthetestbenchfoundationmusthaveenoughstrengthtomeettherequirementofsupport.Whentheenginesupportisdesigned,thepositionofthesupportlegandthecrossbeamcanbechangedtoadapttodifferenttypesofengine.Whenthedriveshaftisdesigned,thevibrationfrequencyofthesystemshouldbeanalysedtoavoidresonance.Flexibleuniversaljointshouldbeusedtomeettheneedofbenchtest.ACelectricdynamometerwithhighefficiency,thekineticenergyoftheenginecanalsobeconvertedintoelectricity.Thelayoutofenginetestbenchisscientificandreasonable.Thesecuritysystemmakesthetestmoreconvenientandsafe.
【KeyWords】enginebenchtestdynamometerdriveshaftenginesupport
目录
1绪论 3
1.1选题背景 3
1.2选题目的及意义 3
1.3研究范围及要达到的技术要求 4
1.4国内外研究现状 4
2发动机台架试验要求 5
2.1发动机台架试验简述 5
2.2发动机台架试验标准 5
2.3发动机台架试验对测试设备的要求 6
3试验基础台 6
3.1地平铁 6
3.1.1地平铁简述 6
3.1.2地平铁设计 6
3.1.3地平铁维护 7
3.2钢筋混凝土重块 7
3.2.1钢筋混凝土重块简述 7
3.2.2钢筋混凝土设计 7
4发动机支架 8
4.1发动机支架简述 8
4.2发动机支架设计 8
5试验传动轴 9
5.1传动轴简述 9
5.2传动轴设计要求 9
5.3传动轴设计 10
5.4万向节选型 13
5.4.1万向节简述 13
5.4.2球叉式万向节 13
5.4.3球笼式万向节 13
5.4.4挠性万向节 14
5.4.5万向节选型 15
5.5传动轴末端设计 15
6测功器选型 16
6.1测功器简述 16
6.2水力测功器 17
6.3电涡流测功器 17
6.4直流电力测功器 17
6.5交流电力测功器 17
6.6测功器选型 18
6.7测功器与发动机对中 19
6.7.1对中简述 19
6.7.2对中要求 19
7试验辅助系统 19
7.1数据采集系统 19
7.2冷却系统 20
7.2.1冷却系统简述 20
7.2.2冷却液温控系统 20
7.2.3冷却水流量计算 21
7.3燃油系统 22
7.3.1燃油系统简述 22
7.3.2油耗仪 22
7.3.3燃油温控系统 23
7.3.4燃油供油量计算 24
7.4通风换气系统 24
7.4.1通风换气系统简述 24
7.4.2通风换气量计算 25
7.5进气系统 26
7.6中冷温控系统 26
7.7供电系统 27
7.8排气系统 27
7.9机油温控系统 28
7.10油门控制系统 29
7.11安全系统 29
7.11.1安全系统简述 29
7.11.2摄像头 29
7.11.3探测器 29
7.11.4水喷淋单元 30
7.12废弃物处理系统 30
8汽车发动机台架试验台设计 30
9结论 32
参考文献 33
谢辞 35
1绪论
1.1选题背景
我国是一个制造业大国，每年大量的劳动力输出，给世界带来了各式各样物美价廉的商品，也创造了经济建设的奇迹。
自从2008年金融危机以来，全球经济萎靡，我国自从改革开放以来，引进了大量的外资企业，由于经济不景气再加上劳动力成本的不断提高，大量外资企业纷纷倒闭或者迁移到老挝、越南、缅甸等一些劳动力成本更加低廉的国家，近两年我国的GDP逐年降低，经济发展后劲不足。
在这种情况下，提出了向制造业强国转变的战略，汽车产业作为国家经济建设的支柱产业，国家将汽车产业作为提升中国经济的强大引擎。
每年政府也出台了各种措施去帮助提升国产汽车的整体水平，想要提升整体水平必须从研发着手。
因此，近几年各大国产品牌公司建立汽车研发中心，发动机作为汽车的核心部件，发动机测试试验室成为研发的重中之重。
近几年，我国的汽车工业有了日新月异的变化，路面上行驶的车辆越来越多，对于汽车需求的人员也越来越多，汽车由原来的高级用品，到很多老百姓都消费得起的普通用品，随之各种各样的工程车辆、农用拖拉机、各种航运船舶、不同种类的内燃机车都随之出现，慢慢人们意识到这些车辆在提供便利的同时，也带来了许多的隐患，例如能源的枯竭，环境的污染，包括发动机使用过程中产生过多二氧化碳气体，随后国家出台了一系列的汽车标准，伴随而来的就是不同用途的发动机试验标准。
世界上每个国家都会根据发动机的不同用途和相应的使用条件制定了相适应的试验标准，目的就在于衡量和评估发动机的重要性能和设计的参数是否合理。
发动机的质量状况也就决定了车辆的性能表现是否优越，通常情况下，研发人员就会在发动机台架上，依照规定的标准进行测试试验，主要考查发动机的各项性能指标是否合格，验证它们的特性曲线是否达标。
汽车发动机是一种非常复杂，精密度非常高的动力装置,它的结构超级复杂,因此伴随而来的就是对发动机工作时的辅助测试系统提出了很高的要求,这些都是做发动机试验所需要解决的前提条件。
不仅仅需要有各种各样的测量仪器设备,还需要有一个既能保证试验条件和实际行驶条件类似，又要保证发动机的各项数据测量精度非常高的试验室,同时又必须要把试验室的辅助试验系统布置的合理。
1.2选题目的及意义
为了摆脱石油资源短缺的局面，标准越来越高的排放法规，人类对生存质量不断提升的形势下，对发动机的各项性能指标要求不断提高，这样的做法也是为了推动汽车发动机技术的不断发展。
发动机的应用随处可见，路面上各种行驶车辆。
例如：
轿车、耕田农用机、船舶、电站、农林机械、开矿、开采石油、建筑、桥梁、道路等方面都离不开它。
在航空航天领域，发动机也扮演着核心的角色，为他们提供了翱翔蓝天的实力和资本。
发动机就是车辆行驶的动力之本，它由成千上万复杂的零部件组成，结构种类繁多，需要面临极其恶劣的内部环境，所以会出现各种各样复杂的问题，这个就需要技术人员重点关注和诊断的大问题，对发动机进行综合性能测试，通过对测试结果的分析，可以对所开发的发动机技术状况有了一个明确的认识，对发动机进行科学的诊断提供了必要的保障。
发动机试验是一项实践性很强的环节，为了研制一款新型的发动机投入的时间和精力是非常惊人的。
业内人士都知道，如果想研发一款新型发动机，从开始着手项目，到新产品投放到市场，一共大约需要680万个小时的测试试验。
因此，世界上主流的汽车生产商都十分重视发动机试验室的测试条件，并采用水平一流的试验装备，美国某汽车公司的柴油机研发中心就有一百多个发动机测试平台，他们将每年6-7%的收益投入到新型发动机的开发上。
日本某著名汽车公司，为了验证发动机在高原环境下的性能表现，专门成立了高原性能测试试验室。
由于他们对发动机性能的不断追求，在世界范围内深受大家喜爱，这与他们在研发方面做的努力是密不可分的。
1.3研究范围及要达到的技术要求
本次设计主要围绕整个发动机台架试验测试系统展开，研究的范围主要包含：
试验基础台、发动机支架、试验传动轴、测功器和试验辅助测试系统等，涉及内容比较多，包含测试设备的设计、选型和应用。
在国家标准的前提下，本着简单、实用、经济、高效、安全的准则进行设计，力求达到采集的数据精度高，动态响应快，自动化程度高，操作简单易掌握的效果。
1.4国内外研究现状
最近两年国产汽车的技术水准和市场份额都得到了很大的进步，自主研发发动机测试设备的企业也越来越多，企业通过学习借鉴国外的优秀技术和自身的研究开发效果明显，现在已经有能力生产出水平较高的测功机，发动机的测试设备基本上也可以实现国产化，也可以根据客户的实际需求生产出一些专用设备。
当然，由于起步比较晚，经验积累不够丰富，也能很明显的看到差距，我国的设备测量精度和产品的性能还是比不上国外，设备的协调工作能力差，产品的可靠性差，维护和技术支持不到位，科研机构开发的专用测试设备成本高昂，制造工艺要求高，利润低，不具备大批量生产的实力，无法和高需求的汽车发动机行业相匹配，测试的数据基本上依赖于人工操作，自动化程度差距明显，数据的后处理花费了很大的功夫，并且效果也不容乐观。
大部分的汽车研发单位还是选择购买国外的测试设备，国外测试设备厂家几家独大，形成垄断，价格高的惊人，形势很严峻。
2发动机台架试验要求
2.1发动机台架试验简述
发动机台架试验已经成为研发汽车发动机的一个非常实用高效的方法，开发人员可以模拟汽车在实际行驶过程中遇到的各种工况，在台架上进行发动机动态加载试验，能够接近真实地反映发动机的实际性能输出。
在发动机的研究和开发过程中，通常进行常规试验之后，还需要增设不同类型的特殊试验和专项试验，试验设备和仪器都严格按照相关计量单位的规定进行操作。
常规的台架试验主要有：
（1）定型鉴定试验；
（2）出厂试验，组装的新发动机在出厂之前，都需要进行磨合试验、检查移交试验和验收试验等；
（3）定期抽检试验；
2.2发动机台架试验标准
经过几代人的不懈努力，我国的测试体系不断优化，测试的类型也朝着多样、全面、可持续的方向发展，制定的试验标准多数都和国际接轨。
汽车的使用带来了大量的社会问题，交通拥堵现象在大城市特别突出，部分超载的货车使道路的生命周期变短，道路维护又带来了大量的灰尘，污染环境。
汽车尾气和噪音使人类的生存质量受到很大的影响，各种交通事故频发，给家庭和社会都造成了巨大的负担。
面对种种问题，国家不断地提高汽车的标准，对汽车在节能减排、安全、排放、可靠度和性能等方面提出了苛刻的要求，他们往往会通过提高试验技术，加大研发高水平设备的力度去适应发展的需要，企业标准高于国家标准，这样在竞争中才能够保持领先的地位。
国家制定了关于发动机性能是否合格的测试标准，在标准中阐述的非常清楚。
通常使用发动机的启动特性、怠速特性、速度特性、加速特性、每个气缸工作时的均匀性、负载特性、空转特性、调速特性来衡量发动机的动力输出特性、燃油经济性、工作时的可靠性，通常用一些长期在恶劣环境中运转的零件的可靠程度、耐磨程度、动力输出效率、燃油消耗量作为发动机可靠性和耐久性的评价指标。
通常情况下发动机的试验流程是：
发动机的安装→发动机跑磨合工况→可靠性耐久或性能试验→实际使用试验
在做试验期间，有一些技术要求：
（1）为了保护发动机，启动发动机以后需要热机，只有发动机热机以后才能去做测试试验；
（2）保证在试验进行的每一步，单位时间内进行多次采集数据点，这样能够保证在测量条件保持不变的情况下，多次对比试验数据的可靠性；
（3）能够在线实时的将所有的试验数据都记录下来，并查找试验的结果和预想的效果进行分析对比，以确定试验数据是否理想，为下一步的工作提供保障；
（4）在试验运行期间，在注意试验数据的同时，也要留意试验室内部的实际情况，多关注排气烟度，是否有局部过热、振动异常和发动机出现敲缸等现象，并在试验记录本上描述清楚；
2.3发动机台架试验对测试设备的要求
汽车发动机是高速运动的元件，测量发动机的一些参数，对测量元件本身来说就是一个相当大的考验。
发动机排气温度传感器，在发动机全速全负荷的工况下，排气温度将近1000℃，这对温度传感器本身也是一个巨大的考验。
发动机冷却液温控单元需要快速准确的执行系统的指令，如果反应不灵敏，发动机机体本身的温度过高或过低，都会大大的损伤发动机。
发动机数据采集系统，通道很多，测量的参数各种各样，为了确保试验数据的科学有效性，需要高的采集数据频率，频率太低，数据就不准确。
目前比较先进的试验台架，通常将测试设备、辅助设备、控制仪表集成在一个操作面板上，利用控制系统和控制软件对发动机的控制模式进行更改，比如转速、扭矩控制模式，转速、节气门开度控制模式等，根据实际测试的需要进行调节。
不能直接测量的数据，系统会根据一定的算法，实现快速、准确、精准化的测量。
测量设备自动处理试验数据，可以提供多种展现数据的办法，方便试验人员阅读和分析。
3试验基础台
3.1地平铁
3.1.1地平铁简述
地平铁在试验过程中起到支撑测功器、发动机支架、发动机和其它的测试设备的作用，不同试验室地平铁的布置方式是不一样的。
现在比较广泛的是将地平铁，测功器、发动机支架、发动机、联轴器整体安装到地平铁上，地平铁下面采用刚性弹簧，条件比较好的试验室采用空气弹簧，通过改变压缩空气的压力去调节地平铁的高度，这种控制更精确，传动轴不受影响。
3.1.2地平铁设计
地平铁的尺寸设计及要求如下：
（1）地平铁尺寸为：
，毛重5吨，去掉T型槽及地脚螺栓孔，净重约4.5吨，材料选用45钢；
（2）T型槽的设计按照国际标准，将铁地板开9条槽，中心间隔；
（3）地平铁底部有连接处,可以把隔振器、混凝土重块等连起来形成一个整体；
图3.1地平铁俯视图
3.1.3地平铁维护
在发动机试验过程中，难免会有机油、防冻液、冷冻水、冷却水等泄露到地平铁上面，地平铁是一个很容易生锈的元件，所以在日常的使用中要定期的对地平铁进行维护。
发动机下完台架以后，先用除锈剂喷涂有锈迹的地方，静置15分钟以后，用钢刷刷铁锈，除完锈以后，在地平铁上涂一层石蜡，石蜡会在地平铁上面形成一层致密的保护膜，这样的做法对预防地平铁生锈有明显的作用。
3.2钢筋混凝土重块
3.2.1钢筋混凝土重块简述
钢筋混凝土重块主要起支撑作用，保证整个试验台架有一个稳固的基础，为了便于铁地板的放置，基础的位置相对与观察窗采取纵向布置。
3.2.2钢筋混凝土设计
钢筋混凝土重块的设计如下：
（1"j0S.i0e）b!
f:
X+E-~*d2\0J%N111）钢筋混凝土重块的设计尺寸：
，总重约3吨，在铁地板的两端共设置两个混凝土重块，满足支撑铁地板的需要；
（2）在钢筋混凝土重块的上方设置4个空气弹簧，在空气弹簧的旁边安装4个千斤顶，当没有压缩空气空气弹簧无法工作时，千斤顶可以起到支撑的作用；
（3）3333钢筋混凝土重块要保证质量，定期观察有没有裂纹等现象；
4发动机支架
4.1发动机支架简述
发动机支架主要在发动机试验中起到支撑发动机，安放数据采集模块，缓冲发动机振动的作用。
在设计发动机支架时，要保证支架在发动机工作的过程中平稳、可靠。
要保证支架的刚度，保证在使用的过程中不能发生变形，支架发生了变形会影响发动机的摆放位置，影响发动机的对中。
要保证一定的强度，如果强度不足，发动机在大负荷强振动时会对支架造成破坏，甚至损坏发动机、传动轴和测功器轴的危险。
在平时的使用中，支架底座的端面会和铁地板发生磨损，磨损也会对发动机和设备造成不良的影响。
在支架支撑腿的上部设置有减震器，发动机在工作时振动很激烈，需要有减震器去保护支撑腿和发动机。
采用合理化的设计，便与制造，在保证安全的前提下减小材料的使用，以达到节省空间的目的。
4.2发动机支架设计
发动机支架的设计及要求如下：
（1）支架底座采用环形设计，既节省空间，也节省材料，外长方形尺寸为：
，内长方形尺寸为：
，支架底座高为，支架底座用4个普通六角螺栓固定到地平铁上；
（2）支架横梁有2条，可以根据发动机实际长度去调节前后位置，横梁尺寸为：
，横梁底座尺寸为：
，横梁和横梁底座是焊接在一起的，整体用8个的内六角螺钉固定到支架底座上；
（3）支架支撑腿4条，可以根据发动机实际宽度去调节左右位置，支撑腿是一个直径为，高为的圆柱体，支撑腿底座尺寸为：
，用8个的内六角螺钉固定到支架横梁上，支撑腿顶部有发动机支撑块，在支撑块上部安装减震器，发动机支撑块的尺寸为：
，用8个的普通六角螺栓固定减震器，减震器和发动机是一体的；
（4）将发动机支架安装到地平铁之前，确保支架和地平铁表面平整、干净、无杂物，使用轻量化的材料，受热变形小；
图4.1发动机支架设计图
5试验传动轴
5.1传动轴简述
传动轴是整个台架比较脆弱的部件，传动轴传递来自发动机的转矩，试验传动轴和汽车传动轴相比，变动频繁，冲击载荷大，工作环境艰苦，分析整个传动系统的扭转振动频率，防止在发动机在正常转速范围内出现共振等现象。
分析传动轴最大转速与发动机最大转速之间的关系，合理选择连接轴的材料，满足强度要求。
采取什么样的措施可以既能减少占用空间又能起到缓冲振动的作用。
如果设计不合理，就会损坏传动轴、测功器，乃至试验人员的人身安全都会带来很大的隐患。
另外，断轴后，更换传动轴的代价也很大，传动轴的费用很高昂，并且在没有找到真正的隐患，贸然的更换以后，还会出现断轴的现象。
所以，一个科学合理的传动轴设计是非常重要的。
5.2传动轴设计要求
（1）能够平稳可靠的传递转矩，传动轴工作时，不仅传递发动机输出的扭矩，同时还承受发动机在更换工况时产生的冲击载荷；
（2）安装方便，减小发动机轴系和测功机轴系的对中难度；
（3）允许发动机、测功器在安装时有少量的径向、轴向和角度上的偏移，并且能够自动调节不足；
（4）在正常的转速范围内，扭转振动系统不发生共振，在试验台设计时要求系统的固有频率大于15Hz，为了不影响试验台的正常工作，就需要选择合理的扭转刚度；
（5）有适当的阻尼性能，发动机输出转矩时产生的基波能够导致系统产生危害性很强的振动，能够很明显的增大发动机传递的转矩，有阻尼能力的传动轴可以在发动机高速运转时减小振幅，从而保证试验的正常运行；
（6）传动轴的允许转速大于发动机的最高转速；
5.3传动轴设计
表5.1发动机和测功器参数
设备
项目
参数
发动机
气缸排列型式与V型角
V6-60°
缸径×行程，
87×83
总排量，
2960
最大功率，
170（6400）
最大扭矩，
272.6（3200）
怠速转速，
700
发动机轴系总转动惯量，
0.17
测功器
额定扭矩，
525
转子转动惯量，
0.44
（1）计算传动轴的刚度：
试验台系统固有频率：
……………………………………………………………………（5.1）
—发动机轴系总转动惯量，；
—测功器转子转动惯量，；
要求系统固有频率大于15，则有：
……………………………………………………………………（5.2）
从理论上来说，通过调整传动轴刚度，使共振转速低于发动机怠速，或者高于发动机最高转速都可以避免在发动机正常工作时出现共振现象，如果共振转速高于发动机最高转速往往对传动轴的刚度要求很高，往往不采用。
通常情况下，采用共振转速低于发动机怠速的方法。
………………………………………………………………………………（5.3）
…………………………………………………………………………………（5.4）
—为发动机主谐波次数，六缸机为3；
—发动机怠速；
—共振转速；
由公式（5.3）、（5.4）可得：
………………………
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