發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系扭振分析

許濤，阮仁宇

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

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發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系扭振分析

許濤，阮仁宇

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

采用EXCITE軟件，對(duì)某汽油機(jī)的曲軸系進(jìn)行了扭振分析，首先進(jìn)行了減震皮帶輪的頻率選定，然后針對(duì)選定頻率的曲軸系進(jìn)行扭振分析，分別計(jì)算了轉(zhuǎn)速波動(dòng)、耗散功以及扭振角。計(jì)算結(jié)果顯示：以上指標(biāo)均在可接受的范圍內(nèi)，滿足使用要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)；曲軸系；扭振分析

0　引言

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系包括曲軸以及與曲軸相連的各運(yùn)動(dòng)件(如飛輪、減震皮帶輪等)，曲軸系是發(fā)動(dòng)機(jī)最為關(guān)鍵的零部件，其作用是把活塞、連桿傳來(lái)的氣體力轉(zhuǎn)化成力矩，用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)以及其他輔助裝置。曲軸系是一個(gè)彈性體，存在一系列的扭振固有頻率，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，曲軸系將產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。而這個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)上危害最大的振動(dòng)問題，不僅消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的有用功，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致曲軸斷裂。因此，在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)必須對(duì)曲軸的扭振情況進(jìn)行分析。

借助于EXCITE軟件，以某四缸汽油機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其曲軸系進(jìn)行扭振分析，優(yōu)選皮帶輪的固有頻率，評(píng)價(jià)曲軸系的扭振特性，為曲軸系的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1　計(jì)算模型

1.1主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

計(jì)算用的爆發(fā)壓力(額定工況)來(lái)源于熱力學(xué)的計(jì)算結(jié)果，如圖1所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2建立計(jì)算模型

在EXCITE中搭建曲軸系的等效計(jì)算模型，如圖2所示，定義好各個(gè)部件的設(shè)計(jì)參數(shù)、潤(rùn)滑油特性、仿真控制參數(shù)，接下來(lái)就可以進(jìn)行計(jì)算。其中曲軸使用Shaftmodeler模塊和Autoshaft模塊完成，連桿使用ConrodModeler完成。

2　結(jié)果分析

2.1皮帶輪優(yōu)選

由于曲軸是一個(gè)柔性軸，以及爆發(fā)壓力的變動(dòng)幅度很大，曲軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這對(duì)曲軸的壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性都有影響。減振皮帶輪能夠消減曲軸系的扭振，其主要控制因素是皮帶輪的慣量和頻率。該項(xiàng)目皮帶輪的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，即慣量確定，通過測(cè)量，慣量為0.006 27kg·m2，其頻率可以通過調(diào)整橡膠的配方來(lái)調(diào)節(jié)。頻率與扭轉(zhuǎn)剛度一一對(duì)應(yīng)，在扭振分析中則使用剛度來(lái)計(jì)算。

圖3和圖4是皮帶輪的優(yōu)選圖，分別表示了匹配皮帶輪后系統(tǒng)的扭振幅度和內(nèi)應(yīng)力。從圖3可以看到：扭轉(zhuǎn)剛度為28 000～36 000N·m/rad時(shí)，系統(tǒng)扭振角較小；而從圖4可以看到：扭轉(zhuǎn)剛度為23 000～32 000N·m/rad時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力較小。為了保證系統(tǒng)扭振角和內(nèi)應(yīng)力都保持在較低的水平，則扭轉(zhuǎn)剛度選取為28 000～32 000N·m/rad較為合理，其對(duì)應(yīng)的頻率范圍為340～360Hz，中心頻率為350Hz，因此選定皮帶輪頻率值為350Hz。

2.2扭振計(jì)算

通過前面確定的皮帶輪頻率，下面將對(duì)匹配350Hz皮帶輪的曲軸系進(jìn)行更為詳細(xì)的曲軸系扭振計(jì)算。扭振計(jì)算的主要計(jì)算項(xiàng)目有：飛輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)、皮帶輪耗散功以及曲軸扭振角。

(1)轉(zhuǎn)速波動(dòng)

轉(zhuǎn)速波動(dòng)是反映曲軸系工作過程中，由于缸內(nèi)壓力的變化，曲軸轉(zhuǎn)速的變化率。它是由發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)點(diǎn)火的運(yùn)行機(jī)制導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，反映了運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，轉(zhuǎn)速波動(dòng)過大則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸扭矩波動(dòng)大，從而引起整機(jī)較大的振動(dòng)。一般要求在1 500r/min時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于0.125。

轉(zhuǎn)速波動(dòng)計(jì)算結(jié)果如圖5所示，可以看到：在1 500r/min時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)為0.072，小于0.125的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，滿足要求。

(2)耗散功

耗散功是反映曲軸系運(yùn)轉(zhuǎn)過程中內(nèi)部能量的損耗，如果耗散功太大就可能使減振器發(fā)熱量過大，引起橡膠老化，降低減振器壽命，同時(shí)也會(huì)使得減振器性能變化較大，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。耗散功的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為小于200W。

耗散功計(jì)算結(jié)果如圖6所示。可以看出:該曲軸系耗散功較小，最大也不超過100W，明顯小于200W的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，滿足要求。

(3)扭振角

扭振角是曲軸前后端的相對(duì)角度變化量，它對(duì)曲軸的強(qiáng)度和乘坐舒適性都有一定的影響，是曲軸扭振計(jì)算的一個(gè)重要指標(biāo)。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，所有諧次激勵(lì)導(dǎo)致的單階扭轉(zhuǎn)最大角度應(yīng)低于一定水平，且各諧次的合成扭轉(zhuǎn)角度也需要低于一定的限值。

評(píng)價(jià)扭振行為標(biāo)準(zhǔn)如下：①在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，曲軸前端單階最大扭轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于0.2°；②在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，曲軸前端合成最大扭轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于0.5°。

曲軸扭振角如圖7所示。二階扭轉(zhuǎn)角是由滾振引起，因此二階扭轉(zhuǎn)角一般不考慮，而合成扭轉(zhuǎn)角也要剔除二階的影響。為方便圖示表達(dá)清楚，僅選取單階扭轉(zhuǎn)角、合成扭轉(zhuǎn)角以及數(shù)值較大的4.5階扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行表示，其余階次，由于扭轉(zhuǎn)角結(jié)果較小，均不在圖中表示出來(lái)。從圖7可以看到:曲軸系的單階扭振角小于0.12°，而合成扭振角小于0.31°，均明顯小于限值，扭振角滿足要求。

3　結(jié)論

采用EXCITE對(duì)某汽油機(jī)的曲軸系進(jìn)行了扭振分析，通過計(jì)算得到以下結(jié)論：

(1)優(yōu)選350Hz的皮帶輪，此時(shí)系統(tǒng)的扭振角以及內(nèi)應(yīng)力均處于較低的水平。

(2)曲軸系扭振特性處于良好的水平，曲軸在1 500r/min時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)為0.072，耗散功不超過100W，同時(shí)曲軸系的單階扭振角小于0.12°，而合成扭振角小于0.31°，均在評(píng)價(jià)限值的范圍內(nèi)，說明該曲軸系設(shè)計(jì)合理，能夠滿足使用需求。

【1】陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2003.

【2】鄭久林，朱凌云，路明.基于動(dòng)力學(xué)的某柴油機(jī)曲軸系扭振分析[J].內(nèi)燃機(jī)，2012(4):23-24.

ZHENGJiulin,ZHULingyun,LUMing.AnalysisofaDieselCrankshaftAssemblyTorsionalVibrationBasedonDynamics[J].InternalCombustionEngines，2012(4):23-24.

TorsionalVibrationAnalysisforaCertainEngineCrankshaftAssembly

XUTao,RUANRenyu

(Research&DevelopmentCenter,AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230601,China)

AtorsionalvibrationanalysisforacertainenginecrankshaftassemblywascarriedoutbyusingEXCITEsoftware.Thesuitablefrequencyoftorsionalvibrationdamperwaschosen.Thenthetorsionalbehaviorofthecrankshaftassemblywithoptimaltorsionalvibrationdamperwassimulated.Cyclicspeedirregularity,dissipatedpowerandangulardisplacementwerecalculated.Theresultsshowthatthethreeindexesareacceptedandmetrequirement.

Engine;Crankshaftassembly;Torsionalvibrationanalysis

2016-04-21

許濤(1978—),男，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及CAE分析工作。E-mail:heavengoal@163.com。

U464

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1674-1986(2016)07-056-03