發(fā)動機曲軸的扭轉(zhuǎn)振動分析

張震

【摘 要】曲軸的振動是影響內(nèi)燃機生產(chǎn)、設(shè)計、制造和使用中的一個很重要因素。曲軸的振動本質(zhì)上是三維形式的振動，隨著人們對曲軸振動的認(rèn)識和要求，不僅扭轉(zhuǎn)振動是人們研究的主要內(nèi)容之一，彎曲振動、縱向振動也是研究的重要內(nèi)容。曲軸振動不但和引起振動的激勵有關(guān)，而且和曲軸系的動態(tài)特性密切相關(guān)。文章針對內(nèi)燃機軸系扭振的危害、產(chǎn)生機理和實驗與理論的建立過程及實驗與理論結(jié)果的比較，以及改善扭振的方法，等方面進(jìn)行了較為全面的闡述，為認(rèn)識內(nèi)燃機軸系扭振提供了較為全面的參考信息。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)燃機；曲軸；扭振

一、曲軸扭轉(zhuǎn)振動原因簡析

內(nèi)燃機曲軸裝置之所以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，其內(nèi)因是曲軸本身不但具有慣性，而且還有彈性，由此確定了曲軸本身固有的自由扭振特性。而其外因則是作用在曲軸上周期性變化的激振力矩，例如：大爆發(fā)壓力的活塞慣性力、曲柄連桿機構(gòu)的慣性力和重力、附件的不規(guī)則阻力矩和外界反作用力，這些力矩是曲軸產(chǎn)生扭振的能量來源，只要機器在運行，這些激振力矩就存在，強迫扭振就持續(xù)發(fā)生，使得曲軸在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生劇烈的振動。激振力矩的頻率、幅值等都對強迫振動的振幅起到極其重要的作用。曲軸按照激振的頻率進(jìn)行強制振動，當(dāng)激振頻率與曲軸本身的固有頻率相同時，就會產(chǎn)生共振。當(dāng)扭振應(yīng)力超過軸系所能承受的應(yīng)力時，曲軸將產(chǎn)生斷裂。所以控制曲軸扭轉(zhuǎn)振動是內(nèi)燃機工作者的工作重點之一。

燃機工作時，可燃混合氣在氣缸內(nèi)燃燒。由于燃燒時火焰?zhèn)鞑ニ俾屎芸欤瑲飧變?nèi)產(chǎn)生壓力波的沖擊與疊加，因此在上止點附近產(chǎn)生很高的爆發(fā)壓力（壓縮點火式發(fā)動機的最大爆發(fā)壓力約90～160個大氣壓；火花點火式發(fā)動機的最大爆發(fā)壓力相對小一些）和壓力升高率（壓縮點火式發(fā)動機的壓力升高率約4～10個大氣壓/曲軸轉(zhuǎn)角）。這些高頻大幅振蕩的壓力波作用在活塞頂面和氣缸上，因而產(chǎn)生燃燒噪聲和軸系與發(fā)動機整機的振動。

由于燃燒過程是周期性的，每循環(huán)氣缸壓力變化曲線可以用一系列不同振幅和相位的正弦波疊加合成。可以看出氣缸壓力不僅在低頻的振幅很大，在高頻振幅也很大。當(dāng)激勵力作用在活塞和氣缸體時引起整機和曲軸的振動，并輻射出噪聲。

二、內(nèi)燃機曲軸扭振介紹

（一）內(nèi)燃機類型

現(xiàn)代的內(nèi)燃機是交通工具中不可缺少的一部分，不僅在交通工具中有著廣泛的應(yīng)用，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及防國防方面也有著不可替代的作用。

內(nèi)燃機種類繁多，分類可以按照不同的方是來分：按所用燃料來分，分為汽油機，柴油機，雙燃料發(fā)動機等等，如今內(nèi)燃機有柴油化的趨勢。按缸內(nèi)著火方式分有壓燃式和點燃式兩種，汽油機為點燃式，柴油機為壓燃式。按活塞沖程數(shù)來分，分為四沖程和二沖程。摩托與小型用機多為二沖程。

在這么多種類的內(nèi)燃機中，在六缸以上內(nèi)燃機的軸系扭轉(zhuǎn)振動問題比較突出，因此我們研究的對象多為六缸以上的內(nèi)燃機。

（二）內(nèi)燃機曲軸扭轉(zhuǎn)振動

內(nèi)燃機的曲軸扭轉(zhuǎn)振動主要是因為有激振力矩作用于曲軸，使之產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)振動。這種扭轉(zhuǎn)振動是強迫性的，不是曲軸本身所決定的。在內(nèi)燃機裝置中，汽缸內(nèi)氣體的壓力，曲柄連桿機構(gòu)的重力及其慣性力對曲軸都會產(chǎn)生周期性變化的激振力矩，這些激振力矩都是曲軸扭轉(zhuǎn)振動的振源。在內(nèi)燃機中，這些激振力矩對于低速重型柴油機有必要考慮而對于一般中小型內(nèi)燃機的影響并不大。因此我們考慮內(nèi)燃機曲軸扭轉(zhuǎn)振動是大多數(shù)都是考慮六缸以上的內(nèi)燃機。

（三）內(nèi)燃機曲軸扭轉(zhuǎn)振動的危害

內(nèi)燃機曲軸振動是引發(fā)發(fā)動機結(jié)構(gòu)和動力裝置振動及噪聲的主要激勵源、而扭轉(zhuǎn)振動是內(nèi)燃機上研究得最早也是危害最大的振動問題.因而在內(nèi)燃機設(shè)計時必須進(jìn)行扭振計算。

內(nèi)燃機的曲軸軸系是一個彈性系統(tǒng)，若給以初激扭矩，便會產(chǎn)生周期性的扭轉(zhuǎn)彈性變形，這就是自由扭轉(zhuǎn)振動。若給軸系一個同期變化的干擾力矩，軸系即按干擾力矩的頻率作強迫扭轉(zhuǎn)振動。若干擾力矩的頻率和軸系的固有頻率相同時，軸系則將產(chǎn)生高振幅的扭轉(zhuǎn)共振。一旦發(fā)生共振，則會使軸系零件磨損加劇，噪音驟增，加速材料疲勞，甚至斷曲軸。

（四）改善扭振的方法

通常采用改變軸系柔度、調(diào)整干擾力矩、附加振動系統(tǒng)以及加裝減震器等法來改善扭振。加裝減震器是吸收振動最直接有效的方法。

其中，作為傳統(tǒng)的減振辦法是采取被動的隔振技術(shù)（如加橡膠墊等等），被動式減振器的設(shè)計對其頻率參數(shù)和阻尼參數(shù)有嚴(yán)格的要求，這兩個參數(shù)是根據(jù)所謂最優(yōu)條件確定的，但由于減振器設(shè)計制造和使用材料等方面的原因，很難保證實際使用的減振器參數(shù)處于最佳。另外，影響被動式減振器效果的還有一個最根本的原因就是它的性能不能根據(jù)干擾頻率的變化自動調(diào)節(jié)，而只能依靠確定一組所謂最佳的設(shè)計參數(shù)，使減根器在內(nèi)燃機整個工作頻率范圍內(nèi)折中地滿足主系統(tǒng)扭振幅值在一個允許的范圍內(nèi)，因而效果始終不理想。

三、結(jié)語

自七十年代以來隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的應(yīng)用，測試技術(shù)與設(shè)備精度的提高，主動控制減振技術(shù)開始得以應(yīng)用，其原理是：利用主動振動控制是指在振動控制過程中，根據(jù)所檢測到的結(jié)構(gòu)振動，應(yīng)用一定的控制策略經(jīng)過實時計算，從而驅(qū)動作功器對結(jié)構(gòu)施加一定的影響（比如力、力矩），有效地控制軸系的扭振響應(yīng)，達(dá)到抑制或消除結(jié)構(gòu)振動的目的。主動振動控制由于其良好的控制效果，以及對不同結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力獲得了廣泛的應(yīng)用。

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