內燃機曲軸振動研究的內容及方法

摘 要：內燃機中曲軸設備的振動實質上是一種三維方式的晃動，人們探索的內容不再只鉆研扭轉振動，把曲折振動以及豎向振動也放在需要探索的內容中。所以對曲軸多維振動方式進行探索不但具有很高的學術意義，同時還有很高的實用價值。文章簡單的講述了內燃機設備中曲軸扭轉振動、彎曲振動以及縱向振動的探索實質以及相應的措施。

關鍵詞：內燃機；曲軸；振動

1 曲軸扭轉振動的研究

最開始對曲軸震動的探索使用的是分離方式，同時把曲軸震動當作單純的扭振來處置。在1916年德國的技術工程師蓋格爾首次制作出了測量扭轉振動的設備。在1921年德國研究專家第一次提出了霍爾茲法，就是經過分離曲軸在沒有阻礙情況下扭振的速度以及大小，同時運用在強迫震動中。之后很多專家例如鐵木辛柯、塔普林等先后提出了在霍爾茲法的基礎上使用偏微分公式以及波動公式促進了扭振的解析措施，把曲軸假設為一個品質圓盤體系，同時使用相同效果的阻尼量，能夠和實際情況更相仿。在上個世紀六十年代，國外的研究專家都使用點或者場傳送矩陣的方式探索曲軸這類在工作中使用鏈狀構造物體的晃動，一般情況下稱之為傳遞矩陣法。在上世紀七十年代，Doughty等擴大延伸了傳遞矩陣法的意義，對有阻礙行為的曲軸震動進行研究，同時使用牛頓-拉夫遜方法解出固定的頻率結果。在對傳遞矩陣進行處理的過程中，可能會因為曲軸系統的撐持太多或者速度較快時矩陣會出現故障致使得到的數據不固定，這時可以使用常微分方程傳送矩陣能夠完善數值的固定性，但是常微分方程也可能會因為選擇的晃動部分不同而出現問題，這種情況下可以使用第二類常微分方程傳送矩陣。上世紀八十年代初，日本專家研究出了消滅阻礙方法和動態剛度矩陣措施來分離或者持續曲軸扭振。為了能夠準確以及速度的測試出曲軸在晃動移走的過程中扭振應力大小，J·彼得等使用了模式狀態解析方法。上世紀八十年代后期，伴隨著電腦的出現以及前進，很多能夠解題的有限元軟件的出現以及日益完整，開始普遍使用有限元軟件解析曲軸的應力大小，但是模板的精準性、處置的準確度上，計算機都不能夠解決掉這些問題，所以以往的動力學解析措施依舊在大力的推廣使用中。

曲軸扭轉振動分析的準確性和精度的關鍵在于模型的建立。由于曲軸結構復雜，因此任何分析必須首先對曲軸進行簡化。模型的建立主要基于兩方面：其一是基于離散模型或是連續體模型，其二是否包含阻尼以及阻尼的處理。當要求更高的計算精度時，應當根據彈性體連續梁方法或瑞利法來當量化曲軸。曲軸的阻尼比較復雜，主要包括減振器的粘性阻尼和曲軸的結構阻尼，以及氣缸的摩擦阻尼。為了分析方便，可以根據等效功的原則或試驗方法計算出單位氣缸的阻尼，然后作為線性粘彈阻尼施加在曲軸上。

傳統的對曲軸扭振探索中，更多的是研究目標是算計出曲軸運轉一周發生的位移是多少，推算出需要多大的應力才能夠滿足其運轉的穩定性。最近幾年以來，越來越更多的要求扭振發出的聲音大小，研究應力的大小除了能夠滿足正常的轉動還要盡量的滿足噪音低的要求。所以探索曲軸扭振以及關聯到發出噪音的問題越來越受到人們的關注。

2 曲軸彎曲振動的研究

根據E.Panagopulos和Jasper提出的螺旋槳回旋振動固有頻率計算公式，在海洋商船軸系設計中使回旋振動共振轉速遠在運轉范圍之外，基本上可以消除因回旋共振而引起的彎曲斷軸事故。然而隨著船舶柴油機的功率逐漸增大，螺旋槳激振力上升，另一方面在一些大型或超大型的油輪和散裝輪上為了獲得較高的推進效率而采用多軸推進系統，使得船尾的支撐剛度相對降低。這樣必然使回旋振動應力達到不能忽略的地步。

回旋振動的激振力主要來自下面幾個方面：旋轉質量的不平衡離心力-不平衡離心力具有與轉軸相同的角速度和旋轉方向，當一次正回轉固有頻率和轉速相等時將出現一次共振，后果相當嚴重；作用在螺旋槳上的流體激勵力，當出現葉片次數倍頻與軸系固有頻率相等時發生共振；偏心質量引起的作用力。

在汽輪設備以及航空設備的配件中很注重回旋震動的探索。因為汽輪設備的曲軸、船只設備的曲軸以及內燃機設備的曲軸都擁有一樣的共性：曲軸震動的速度是伴隨著機械設備自身轉動的速度改變而發生改變的；品質不對稱以及不均衡震動都會產生較大的作用；這類曲軸體系中大多都依靠軸承撐持，所以在制造的形式中一般都使用轉子軸承體系；撐持體系軸承設備的阻礙或者強度不均衡或者具有劇烈的非線性都會導致數據的準確性。所以對這幾種設備的曲軸探索方案是相似的。一般情況下，MP傳遞矩陣法是船舶軸系振動計算的基本方法，之后也有采取常微分方程矩陣方法；重要的探索內容是推測曲軸的臨界轉動速度以及應力大小，防止內燃機設備旋轉速度和螺旋槳的回旋震動同時發生震動而致使螺旋槳的損壞。因為螺旋槳漿翼都比較長、和水摩擦會產生較大的吸附力、體重大，所以探索船只動力系統中螺旋槳的曲振也是探索的重點。在模板的建筑中大多使用分離式模板，由于比較少的會運用到連續體的分散結構，所以很多學者也會使用有限元手段進行解析。中國從上世紀八十年代初就已經初步對船只曲軸的橫振開展探索，因為在探索中有很多不準確的原因在干擾，所以回旋震動現在還在探索過程中，其中對振動應力的處理水平相當低。

日本學者若林克彥等對高速柴油機軸系采用傳遞矩陣和有限元相結合的方法分析其三維振動，同時也計算了彎曲振動的振型和應力分布，但沒有研究臨界轉速的變化和振動位移響應及其諧次分析。

3 曲軸縱向振動的研究

在研究曲軸豎直方向的震動時，如果忽略掉外部驅使反轉動力以及零配件的阻礙力進行思考，大體可以分為兩種形式：（1）氣體的重力以及循環力形成的徑直方向力就是所說的彎曲-縱向耦合震動；（2）曲軸的柄在轉動時產生的徑直方向分量就是當曲軸旋轉因為曲柄本身的彎曲程度以及曲柄末梢以及軸承對稱線的運動收縮，就是所謂的扭轉-縱向耦合震動。最近幾年，伴隨著汽車大多使用柴油作為燃料，而柴油發動設備又想著高速度、高強度、大轉動距離方向親近，致使氣缸產生的重力迅速升高，曲軸的震動速度也迅速上升。除此之外，為了能夠提升柴油發動機的熱速度，普遍柴油發動機設備都使用長行程策劃，所以軸承縱向扭轉的震動速度也隨之上升。軸承豎直方向的震動大多有以下三個方面的損害：（1）致使內燃機設備外觀組成部分以及裝置的配件也會跟著震動，進而加大了整體設備的噪音。伴隨著人文主義的發展，對環境保護的要求越來越高，要求車輛行使中內燃機設備噪音要很低。因為內燃機設備因震動發出噪音，所以必須要減少軸承每個方面的震動。（2）軸承轉動的速度過快，會致使活塞運動脫離主運動位置，活塞運動背離后，會破壞活塞和氣缸之間的潤滑油膜，致使氣缸出現損傷，并且還會有噪音發出。（3）軸承豎直方向的震動會使軸承中很多配件因為剪切力受到損害，甚至軸承自身的損害也和軸承豎直方向的震動相關。

一直以來，大家對汽車的內燃設備很注重其軸承轉動產生的震動。最近幾年，為了能夠減小內燃機設備的噪音，進一步提升其舒適度，同時也對軸承彎曲和豎直方向的震動進行了關注探索，同時使用有關的方法減少震動。不過對軸承豎直方向的震動原理探索還是很少。雖然對船只柴油發動機的彎曲震動和扭轉震動探索已經具備一定的成果，但是因為車輛使用的柴油發動設備和船只使用的柴油發動設備是不一樣的，所以還是有很多不同的地方。所以要研究車輛使用的柴油發動設備豎直方向震動的處理方法。