雙質(zhì)量飛輪曲軸系統(tǒng)扭振分析方法研究

阮仁宇，路明，倪成鑫（江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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雙質(zhì)量飛輪曲軸系統(tǒng)扭振分析方法研究

阮仁宇，路明，倪成鑫
（江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

雙質(zhì)量飛輪對于動力輸出的穩(wěn)定性有較大的提升，可以有效提升整車的 NVH性能，但是對于曲軸系統(tǒng)來說振動增大，對于前端輪系有一定的危害，而之前的分析主要針對單質(zhì)量飛輪的扭振分析，對于雙質(zhì)量飛輪系統(tǒng)的分析目前還不是很成熟，本文基于EXCITE DESIGNER對雙質(zhì)量飛輪的曲軸系統(tǒng)進(jìn)行建模。分析結(jié)果表明，此方法可以得到雙質(zhì)量飛輪曲軸系統(tǒng)的扭振，并且可以判斷雙質(zhì)量飛輪是否會與發(fā)動機(jī)怠速工況發(fā)生共振。

雙質(zhì)量飛輪曲軸系統(tǒng)；NHV；扭振；共振

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.030

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-99-03

曲軸是發(fā)動機(jī)重要的零部件之一，承受著發(fā)動機(jī)氣體載荷以及慣性力的作用，很容易發(fā)生疲勞破壞。并且由于曲軸的扭振，對于曲軸系動力輸出端以及發(fā)動機(jī)前段附件系統(tǒng)都會產(chǎn)生較大的振動，影響發(fā)動機(jī)的NVH性能以及前段附件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而使用雙質(zhì)量飛輪可以有效的提高發(fā)動機(jī)輸出端的穩(wěn)定性，減小輸出到傳動軸的振動，但同時(shí)對曲軸本身的性能和前段附件的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，而且由于雙質(zhì)量飛輪的特性，很容易在怠速轉(zhuǎn)速工況下發(fā)生共振，導(dǎo)致點(diǎn)火困難甚至雙質(zhì)量飛輪的失效。本文基于 EXCITE DESIG NER軟件，對雙質(zhì)量飛輪系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，可以得到前段扭轉(zhuǎn)角、飛輪轉(zhuǎn)速波動以及雙質(zhì)量飛輪的一階頻率等結(jié)果，并且研究減震皮帶輪橡膠、飛輪一級慣量以及雙質(zhì)量飛輪剛度對上述結(jié)果的影響[1-3]。

1、有限元模型的建立［4，5］

由于只分析曲軸的扭振特性，因此不需要考慮主軸承座和連桿的變形以及軸瓦的油膜等特性，建立機(jī)體、連桿以及活塞的剛性體，輸入質(zhì)量及幾何信息，曲軸采用當(dāng)量梁模型，分析模型如圖1所示，曲軸的模型如圖2所示。

曲軸模型中最右端為飛輪，這里為了模擬雙質(zhì)量飛輪的情況使用皮帶輪代替飛輪模型，輸入雙質(zhì)量飛輪的一級慣量、二級慣量以及剛度等參數(shù)。以便考察雙質(zhì)量飛輪本身的特性以及對整個(gè)曲軸系的影響。

2、分析結(jié)果

曲軸系扭振分析主要關(guān)注的幾個(gè)結(jié)果為飛輪的轉(zhuǎn)速波動、皮帶輪橡膠耗散功以及皮帶輪的扭轉(zhuǎn)角，首先轉(zhuǎn)速波動是由發(fā)動機(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，反應(yīng)了運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，轉(zhuǎn)速波動過大則會增大發(fā)動機(jī)的振動。對于匹配雙質(zhì)量飛輪的傳動系統(tǒng)，由于雙質(zhì)量飛輪一級慣量的轉(zhuǎn)動慣量較小，轉(zhuǎn)速波動會較單質(zhì)量飛輪系統(tǒng)大，評價(jià)指標(biāo)為1500rpm工況下，小于0.25。圖3為飛輪的轉(zhuǎn)速波動結(jié)果，可以看出在1500rpm時(shí)轉(zhuǎn)速波動為0.08，滿足設(shè)計(jì)要求。

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)也會使得減振器性能變化較大，影響發(fā)動機(jī)性能。耗散功的標(biāo)準(zhǔn)為<250w，圖4為皮帶輪橡膠的耗散功結(jié)果。

扭振角是曲軸前后端的相對角度變化量，它對曲軸的強(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)動機(jī)最大超速轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，所有諧次激勵導(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。

評價(jià)扭振行為標(biāo)準(zhǔn)如下：

在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，曲軸前端單階最大扭轉(zhuǎn)角度，以乘客舒適度要求應(yīng)小于0.1deg；以曲軸應(yīng)力強(qiáng)度要求應(yīng)小于0.2deg。

在發(fā)動機(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0.5deg。

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，可以看出四階扭轉(zhuǎn)角超過了0.1度，但小于0.2度，對于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)滿足要求，但如果要提升NVH品質(zhì)仍需優(yōu)化，重點(diǎn)考慮增加飛輪的一級慣量以及重新選擇皮帶輪橡膠頻率。

此輸入下曲軸本身的模態(tài)頻率如表1所示，一階頻率表現(xiàn)為完全的扭轉(zhuǎn)，描述的是雙質(zhì)量飛輪一級和二級慣量之間的扭轉(zhuǎn)，此發(fā)動機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速為750rpm，對應(yīng)的點(diǎn)火頻率為25Hz，低于一階頻率，說明在提速的過程中會與雙質(zhì)量飛輪發(fā)生共振，造成出現(xiàn)振動過大甚至雙質(zhì)量飛輪發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

表1　曲軸的模態(tài)頻率分布

需要對雙質(zhì)量飛輪的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)是曲軸的一階頻率低于25Hz，可以通過提高雙質(zhì)量飛輪二級慣量以及降低雙質(zhì)量飛輪彈簧剛度的方式來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過計(jì)算，提升二級慣量由0.045kgm^2到0.07 kgm^2或者降低彈簧剛度由15.97Nm/deg到 11.97Nm/deg可以使曲軸一階頻率降低到23Hz以下。

3、結(jié)論

a、本文通過designer軟件可以分析得到曲軸飛輪的轉(zhuǎn)速波動、皮帶輪的耗散功以及皮帶輪的扭轉(zhuǎn)角，可以對曲軸、飛輪以及前段輪系的設(shè)計(jì)提供參考，并且可以針對皮帶輪橡膠的頻率進(jìn)行選型。

b、通過本文的方法可以進(jìn)行雙質(zhì)量飛輪的設(shè)計(jì)，特別是可以得到雙質(zhì)量飛輪的共振頻率，并通過調(diào)整雙質(zhì)量飛輪的參數(shù)規(guī)避共振問題。

[1]呂振華，馮振東.汽車發(fā)動機(jī)曲軸阻尼式扭振吸振器設(shè)計(jì)方法探討及應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)工程，1992,13（2）：27-33.

[2]王小莉，上官文斌，張少飛等.發(fā)動機(jī)前段附件驅(qū)動系統(tǒng)-曲軸扭振系統(tǒng)耦合建模與曲軸扭振分析[J].振動工程學(xué)報(bào)，2011,24（5）：505-513.

[3]李一民，郝志勇，杜極生.發(fā)動機(jī)曲軸與正時(shí)系耦合動力學(xué)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013,47（9）：1950-1957.

[4]姚勝華.基于AVL Designer的曲軸扭振仿真軟件關(guān)鍵問題研究[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,26（3）：13-15,24.

[5]鄭國世，朱連兵，王勇等.曲軸扭振減震器開發(fā)[J].柴油機(jī)，2013,35 （2）：34-38.

The research of crankshaft system used double mass flywheel torsional vibration analysis method

Ruan Renyu,Lu Ming,Ni Chengxin
(Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601)

The double mass flywheel (DMF) can increase the stability of power outputting.And it can also improve the NVH performance of vehicle.But the vibration increases for crankshaft system.And it is bad for Front end accessory.The research before directs towards the single mass flywheel system.It is not proficient in analysis for DMF crankshaft system.This paper models the DMF system based on the software EXCITE DESIGNER.The results show that this method can calculate the torsional vibration of DMF crankshaft system.And forecast whether the DMF can resonate with the case of idle.

DMF Crankshaft system; NHV; Torsional Vibration; Resonance

U464

A

1671-7988（2016）08-99-03

阮仁宇（1986-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事發(fā)動機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)工作。