精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法，包括如下步驟：步驟1：推導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮比計(jì)算公式，通過靈敏度分析得到影響壓縮比變動(dòng)的關(guān)鍵尺寸；步驟2：通過全局優(yōu)化算法對(duì)所述關(guān)鍵尺寸的公差進(jìn)行優(yōu)化求得優(yōu)化后的公差帶；步驟3：根據(jù)所述公差帶，通過對(duì)所述關(guān)鍵尺寸在線測(cè)量并進(jìn)行反饋控制和加工補(bǔ)償。本發(fā)明首先推導(dǎo)壓縮比與相關(guān)零部件尺寸的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過靈敏度分析確定影響壓縮比的關(guān)鍵尺寸，對(duì)關(guān)鍵尺寸的公差進(jìn)行全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使壓縮比的變動(dòng)在允許范圍內(nèi)。
【專利說明】
精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)，具體地，涉及一種精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在影響發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如輸出功率和扭矩等的諸多因素中，壓縮比是一個(gè)至關(guān)重 要的參數(shù)。壓縮比低于設(shè)計(jì)值過多會(huì)導(dǎo)致混合氣燃燒不完全、扭矩和功率降低、油耗增加， 而壓縮比高于設(shè)計(jì)值過多容易產(chǎn)生爆震，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，因此適當(dāng)?shù)膲嚎s比 才能使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平順。對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，壓縮比的一致性也必須得到嚴(yán)格控制從 而使發(fā)動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)作，因此壓縮比的變動(dòng)需要控制在一定范圍內(nèi)，否則很難實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī) 性能的一致性。
[0003] 壓縮比大小與氣缸總?cè)莘e和壓縮后的氣缸容積有關(guān)，而容積與相關(guān)零部件尺寸相 關(guān)，因此這些零部件的尺寸公差引起的尺寸波動(dòng)必然影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比變動(dòng)。傳統(tǒng)的壓 縮比設(shè)計(jì)中，對(duì)相關(guān)零部件的尺寸公差設(shè)計(jì)是基于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，而并沒有對(duì)尺寸公差進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計(jì)和在線測(cè)量控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì) 和制造方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明提供的精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1:推導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮比計(jì)算公式，通過靈敏度分析得到影響壓縮比變動(dòng) 的關(guān)鍵尺寸；
[0007] 步驟2:通過全局優(yōu)化算法對(duì)所述關(guān)鍵尺寸的公差進(jìn)行優(yōu)化求得優(yōu)化后的公差帶；
[0008] 步驟3:根據(jù)所述公差帶，通過對(duì)所述關(guān)鍵尺寸在線測(cè)量并進(jìn)行反饋控制和加工補(bǔ) 償。
[0009] 優(yōu)選地，所述步驟1包括如下步驟：
[0010] 步驟101:推導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮比e計(jì)算公式，
[0012] 其中，V。為氣缸工作最小容積;VS為氣缸工作容積;Vi為活塞燃燒室容積;V2為缸蓋 燃燒室容積;V 3為缸墊孔容積;V4為缸體燃燒室容積;V5為配缸間隙容積；
[0013] 步驟102:建立乂^^:^^^^與氣缸的相應(yīng)尺寸之間的關(guān)系逆而形成壓縮 比與多個(gè)尺寸之間的關(guān)系：
[0014] e=f(xi,X2, . . . ,Xi, . . . ,xn)
[0015] 其中，xi,X2,…，Xi, ? ? ? ,xn表示多個(gè)尺寸變量;i、n均為大于零的自然數(shù)；
[0016] 步驟103:使每個(gè)尺寸固定在設(shè)計(jì)值，對(duì)每個(gè)尺寸求偏導(dǎo)，求得壓縮比變動(dòng)與相對(duì) 應(yīng)的尺寸變化的敏感系數(shù)h，即壓縮比變化A e與尺寸偏差A(yù) Xl的比值：
[0018] 則由單個(gè)尺寸引起的壓縮比變動(dòng)為：
[0019] A e =ki A xi
[0020] 步驟104:將各尺寸的設(shè)計(jì)值Xll和平均實(shí)測(cè)值Xl2代入h，即可得到理論敏感系數(shù) kii和實(shí)測(cè)敏感系數(shù)k i2;
[0021 ] 步驟105:將kii，ki2,設(shè)計(jì)公差A(yù) xu，實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)偏差A(yù) xi2代入A e = ki A xi可得單個(gè) 尺寸設(shè)計(jì)公差引起的壓縮比波動(dòng)量A enl和實(shí)測(cè)偏差引起的壓縮比波動(dòng)量A en2;
[0022]步驟106:比較各尺寸引起的壓縮比變動(dòng)量，將引起壓縮比變動(dòng)量超過設(shè)定閾值的 可的尺寸定義為關(guān)鍵尺寸。
[0023]優(yōu)選地，在所述步驟2,所述全局優(yōu)化算法為：
[0027] A eQ為定義的允許壓縮比的變動(dòng)范圍；為曲柄半徑;Vi為缸蓋燃燒室容積;V2為 活塞燃燒室容積;hn為缸墊壓縮后高度;H為缸體上表面到曲軸孔中心距離；1為連桿中心 距;h為活塞壓縮高。
[0028] 優(yōu)選地，| A e | = 3〇,〇為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0030] 1、本發(fā)明首先推導(dǎo)壓縮比與相關(guān)零部件尺寸的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過靈敏度分析確定 影響壓縮比的關(guān)鍵尺寸，對(duì)關(guān)鍵尺寸的公差進(jìn)行全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使壓縮比的變動(dòng)在允 許范圍內(nèi)；
[0031] 2、本發(fā)明運(yùn)將尺寸公差決策問題從局部上升到全局，并從影響發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的眾 多尺寸中確定對(duì)系統(tǒng)全局性能有決定性影響的關(guān)鍵尺寸，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)尺寸公 差的優(yōu)化決策，在制造過程中通過對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行在線測(cè)量等實(shí)時(shí)控制，從而精確控制壓 縮比的一致性；
[0032] 3、本發(fā)明思路清晰，簡(jiǎn)潔明了，對(duì)如何精確控制壓縮比的一致性有一定的指導(dǎo)意 義和應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0033]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0034]圖1為本發(fā)明中發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖2為本發(fā)明的步驟流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0037] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0038] 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸示意圖如圖1所示，首先對(duì)壓縮比公式進(jìn)行推導(dǎo)，如公式(1)所示
(1)
[0040] 其中式中：V。為氣缸工作最小容積;Vs為氣缸工作容積;Vi為活塞燃燒室容積;乂2為 缸蓋燃燒室容積;V 3為缸墊孔容積;V4為缸體燃燒室容積(活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)活塞邊線圓 平面與缸體上表面組成的空間）；％為配缸間隙容積。每個(gè)容積又可通過相關(guān)零部件的尺寸 計(jì)算得到，共涉及曲軸、軸瓦、連桿、活塞及活塞銷、缸體、缸蓋、缸墊等8個(gè)零件，與25個(gè)尺寸 相關(guān)。
[0041] 最終所得壓縮比公式中涉及的尺寸眾多，而每個(gè)尺寸公差對(duì)壓縮比變動(dòng)的影響不 盡相同，因而需要挑選出對(duì)壓縮比一致性影響較大的尺寸。靈敏度分析通過建立系統(tǒng)輸入 和輸出之間的量化聯(lián)系進(jìn)而分析系統(tǒng)輸入的變化對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，可以有效的選出這些 關(guān)鍵尺寸，具體方法步驟如下：
[0042] (1)壓縮比是以這些尺寸為變量(對(duì)應(yīng)以X1，x2,…， Xl，…，xn表示）的函數(shù)，即：
[0043] e=f(xi,X2, . . . ,xi, . . . ,xn) (2)
[0044] (2)使每個(gè)參數(shù)固定在設(shè)計(jì)值，對(duì)每個(gè)尺寸求偏導(dǎo)，可求得壓縮比波動(dòng)對(duì)該尺寸變 化的敏感系數(shù)lu，即壓縮比變化A e與尺寸偏差A(yù) Xn的比值：
(3)
[0046] 則由單個(gè)尺寸引起的壓縮比變動(dòng)為：
[0047] A e =ki A xi (4)
[0048] (3)分別將各尺寸設(shè)計(jì)值xu和平均實(shí)測(cè)值xl2代入lu，即可得到理論敏感系數(shù)ku和 實(shí)測(cè)敏感系數(shù)ki2。
[0049] (4)將ku，ki2,設(shè)計(jì)公差帶A xu，實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)偏差A(yù) xi2( | A e | =3〇,〇為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差） 代入A e A ^可得單個(gè)尺寸設(shè)計(jì)公差引起的壓縮比波動(dòng)量A enl和實(shí)測(cè)偏差引起的壓縮 比波動(dòng)量A en2〇
[0050] (5)比較各尺寸引起的壓縮比波動(dòng)量可得到理論和實(shí)際對(duì)壓縮比波動(dòng)影響較大尺 寸，即定義為關(guān)鍵尺寸。
[0051] 所得關(guān)鍵尺寸如表1所示：
[0052] 表1影響壓縮比變動(dòng)的9個(gè)關(guān)鍵尺寸
[0055]下一步是對(duì)關(guān)鍵尺寸的公差進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目標(biāo)方程定義為最大化優(yōu)化變量的平 方和，即考慮到加工成本，盡可能小的壓縮原有設(shè)計(jì)公差帶，并滿足最大壓縮比波動(dòng)在允許 范圍內(nèi)，從而對(duì)關(guān)鍵尺寸的精度進(jìn)行優(yōu)化決策。所得優(yōu)化問題如公式(5)所示：
A eo為定義的允許壓縮比的變動(dòng)范圍。通過解決上述優(yōu)化問題，可以得到優(yōu)化后的公差帶。 [0058]根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在制造過程中，對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行在線測(cè)量，通過反饋控制和加工補(bǔ) 償及整機(jī)壓縮比的在線測(cè)量等措施，精確控制壓縮比的一致性。
[0059]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1:推導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮比計(jì)算公式，通過靈敏度分析得到影響壓縮比變動(dòng)的關(guān) 鍵尺寸； 步驟2:通過全局優(yōu)化算法對(duì)所述關(guān)鍵尺寸的公差進(jìn)行優(yōu)化求得優(yōu)化后的公差帶； 步驟3:根據(jù)所述公差帶，通過對(duì)所述關(guān)鍵尺寸在線測(cè)量并進(jìn)行反饋控制和加工補(bǔ)償。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法，其特征在于，所述 步驟1包括如下步驟： 步驟101:推導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的壓縮比ε計(jì)算公式，其中，V。為氣缸工作最小容積;Vs為氣缸工作容積;Vi為活塞燃燒室容積;V2為缸蓋燃燒 室容積;V3為缸墊孔容積;V4為缸體燃燒室容積;V5為配缸間隙容積； 步驟102:建立￥。^1、￥2、￥3、￥4、￥5與氣缸的相應(yīng)尺寸之間的關(guān)系，進(jìn)而形成壓縮比與 多個(gè)尺寸之間的關(guān)系： ε- f(Xl，X2，· · ·，Xi，· · ·，Xn) 其中，X1，X2,…，Xi, . . . ,Xn表示多個(gè)尺寸變量;i、n均為大于零的自然數(shù)； 步驟103:使每個(gè)尺寸固定在設(shè)計(jì)值，對(duì)每個(gè)尺寸求偏導(dǎo)，求得壓縮比變動(dòng)與相對(duì)應(yīng)的 尺寸變化的敏感系數(shù)Iu，即壓縮比變?chǔ)う排c尺寸偏差Δ Xl的比值： {? 則由單個(gè)尺寸引起的壓縮比變動(dòng)為： Δ e = ki Λ xi 步驟104:將各尺寸的設(shè)計(jì)值Xll和平均實(shí)測(cè)值Xl2代入Iu，即可得到理論敏感系數(shù)ku和實(shí) 測(cè)敏感系數(shù)ki2; 步驟105:將kii，ki2,設(shè)計(jì)公差Δ χη，實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)偏差Δ Xi2代入Δ e = ki Δ Xi可得單個(gè)尺寸 設(shè)計(jì)公差引起的壓縮比波動(dòng)量△ εη?和實(shí)測(cè)偏差引起的壓縮比波動(dòng)量△ εη2; 步驟106:比較各尺寸引起的壓縮比變動(dòng)量，將引起壓縮比變動(dòng)量超過設(shè)定閾值的可的 尺寸定義為關(guān)鍵尺寸。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法，其特征在于，在所 述步驟2，所述全局優(yōu)化算法為： Δ ε〇為足乂的宂訐壓縮比的雙動(dòng)范圍；rc為曲枘半牷J1為ffil盡燃焼MW枳；V 2為沽塞燃 燒室容積;hn為缸墊壓縮后高度;H為缸體上表面到曲軸孔中心距離；1為連桿中心距;h為活 塞壓縮高。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的精確控制壓縮比一致性的設(shè)計(jì)和制造方法，其特征在于，I Δ ε = 3σ，σ為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105893686SQ201610221314
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日
【發(fā)明人】許敏, 周建華, 袁志遠(yuǎn), 王森
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)