內燃機曲軸軸系振動分析研究的現狀、討論與展望

張 勇

金川集團公司鐵路運輸分公司 甘肅 金昌 737100

引言

曲軸系統的振動決定著內燃機的振動。曲軸上的作用的大小和方向都在隨著時間發生著周期性的變化，所以它有兩個方面的振動，分別是扭轉振動和彎曲振動，而且它彎曲和振動的頻率也是比較高的。正是因為它會發生彎曲導致其他部件產生振動，并且發出響聲，這就是為什么內燃機會產生噪音。但是曲軸扭曲振動的頻率卻是比較低的，在內燃機進行工作的時候比較容易產生共振，所以就需要采取一定的措施減輕共振，減少噪音，減輕對其他部件的磨損。在這幾年，對內燃機的污染以及可靠性，動力性和油耗有了更大的要求，所以我們就需要進一步對它進行研究。

一、分析研究的現狀

1.曲軸有著復雜的結構以及受力情況，所以在對曲軸軸系的振動特征進行計算的時候，都會用比較簡單的力學模型來進行計算，這樣可以更加簡便的進行計算。現在的研究把振動計算的曲軸軸系分為了兩類，分別是軸系質量經離散化后集總到許多集中點的集總參數模型，還有一種就是分布參數模型，這種模型是軸系質量沿著軸線連續分布的模式。

(1)集總參數模型分析。此模型存在一些優點，它的優點就是有著清晰的物理概念，使用起來是比較簡單的，而且計算方法也比較簡便。但是這個模型的缺點就是太過于簡化，如果想要對曲軸進行精密的計算的時候，這種計算方法就無法達到所需要的精密度。

(2)分布參數模型分析。因為這種模型是軸系質量沿著軸線連續分布的模式，所以這種模式是更加的接近實際情況的。在這種模型中還根據不同的分類又分成了三種不同的模型，分別是對曲軸的實體直接進行部分作為有限元的計算模型，框架模型，階梯軸模型這三種，下面對這三種進行分析。

①框架模型的分析。在計算曲軸振動時使用有限元法，就能夠形成框架模式，這個模型可以使用會連續的實體的并且是有規則的來代替在曲軸中的不同部分結構，這個模型對曲軸原來具有的形狀能夠得到很好的保持，所以如果使用這種方法進行曲軸的振動計算的時候，可以得到比較精確的結果。

②階梯軸模型的分析。如果將軸系等效能夠進行處理成連續的階梯軸的模型，這樣可以很好的減少集總參數模型進行離散化誤差的作用。階梯軸模型的特點就是它具有連續的質量分布，因為有這樣連續的分布的話，就可以更加清楚的知道分布參數對軸系振動特性具有哪些影響，而且可以采用比較多的數學方法來進行計算。將二者進行比較，這個模型的計算結果能夠得到更加精確的結果。

2.非線性研究。我們都知道，復雜的非線性研究是曲軸軸系的構成特征。所以想要能夠構成一個最能反應曲軸軸系的實際情況的模型是一件非常復雜的時候，它需要考慮非常多的非線性因素的影響。這些問題和因素就包括了變慣量以及非線性部件問題等。這些都可能會對模型的建立產生一定的影響，下面就對它們進行分析。

①變慣量產生的影響進行分析。在運動過程中，活塞和連桿是存在一定的慣性的，我們對他們的慣性進行計算所采用的方法就是等效轉動慣量來進行考慮分析的。用單缸機模型定性解釋了多缸機中變慣量引起的次共振現象。然后還對柴油機曲軸斷裂的原因也從慣量方面進行分析。還對曲軸扭振的影響因素進行了分析，分析的方面就是反復運動產生的影響。還研究了單缸機的簡化模型的計算和求解方法進行了研究，并且進一步得到了在考慮慣量的情況下，得到了多缸柴油機的曲軸扭動的運動方程。

二、進行討論

上面已經對內燃機的曲軸軸系振動的現狀進行了分析，通過上面的分析，我們知道了對其進行振動研究是具有一定的特征的，分別是下面幾點特征:①對振動的計算模型已經越來越精確了，慢慢的從集總參數模型不斷的演變成了用分布參數模型，這樣可以提高計算精確度。②在對模型進行研究的過程中，所關系到的物理現象已經越來越復雜了。③對于之前的計算方法在不斷的進行改進，不斷的出現了越來越多的精確度更加高，效率更加高的計算方法。這些都能夠為曲軸振動的分析提供更加有效的方法。

但是，根據現在的情況進行分析來看，現在的有的計算方法和分析模型進行曲軸振動理論計算，但是與直軸振動分析的計算方法進行比較的話，還是存在比較大的差距。有以下兩個方面的差距，第一就是在計算中需要依據的參數是不夠精確的，比如對剛度以及阻尼系數等的運用。另一個方面就是因為沒有考慮到在曲軸振動的過程中還受到了曲軸軸承的影響。

三、研究的發展展望

如果在對曲軸軸系進行設計的時候能夠很好的對它的動態特征進行掌握，這樣就可以有利于制造。所以就需要結合實際情況能夠更加精確的對曲軸軸系振動進行計算。為了能夠更加精確的對曲軸軸系的特征進行計算，需要能夠更加深入的進行下面幾方面進行研究。第一，要對阻尼系數進行更加深入的研究，對與阻尼系數的計算還是沒有研究出適合目前情況的計算方法，還是在用古老的經驗公式，正因為這方面沒能得到進步個發展，所以已經成為制約曲軸振動計算精度提高的一個因素。我們在計算的時候，都已經將阻尼系數人為的常量化了，但是他其實并不是一個常量，他是會改變的，所以需要我們進一步深入進行研究。第二就是非線性研究，對曲軸軸系振動進行精確的分析的時候，就必須考慮到非線性部件變轉動慣量以及其他非線性因素，但是根據現在的情況來看，目前的研究還是更多的考慮單一因素的單自由度非線性振動問題，所以這樣不能夠滿足精確度的要求。所以，就要求我們必須要對非線性因素在研究中藥進行更多因素的考慮，還需要進一步的更加深入的研究。還要進一步考慮多自由度乃至連續質量分布的曲軸軸系振動問題。

四、結束語

根據本文的分析，可以得到以下一些結論。

1.對于內燃機曲軸振動的計算結果的精確度已經越來越高了，現在正處于一個過渡中，由集總參數模型逐漸的轉為分布參數模型。

2.目前正在對曲軸振動的計算方法不斷的進行研究和完善，不斷在提高計算結果的精確度，現在比較迅速的投入使用的方法就是傳遞矩陣法，有限元法能夠得到相對比較精確的結果，所以也被廣泛運用。彈性波傳播法容納了以上兩種的優點，所以也已經開始被運用在曲軸振動的計算過程中。

3.主要的測量手段是非接觸式振動測量。

4.計算所需要的各項阻尼系數已經成為了一個重要的研究課題。

5.需要進一步深入研究曲軸軸系振動的影響因素，其中包括變慣量，非線性部件以及其他的一些非線性因素。