發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)研究

程勉宏 龔鵬 李播博

摘 要：曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的重要因素之一 因此曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程要解決的重要課題。文章以兩款不同的直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象 用測(cè)速齒盤作為發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測(cè)量信號(hào)齒盤 介紹了測(cè)試齒盤的測(cè)試方法 并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)測(cè)試 為發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善提供幫助。

關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)振動(dòng);測(cè)速齒盤;試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：U467.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）18-108-03

Abstract： The torsional vibration of crankshaft is one of the main factors promising the safe operation of engine， therefore the torsional vibration of crankshaft is the key issue during the R&D process of engine. In this paper， the torsional vibration of crankshaft in two different inline four-cylinder engines was studied experimentally. A speed measuring tooth disc was employed as the signal disc during the experimental test for the torsional vibration of the engine. The test procedure was introduced and the bench tests of torsional vibration were carried out for both engines. The results could provide some guidance for engine performance improvement.

Keywords： Torsional vibration; Speed measuring tooth disc; Experimental research

CLC NO.： U467.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-108-03

1 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展 人們對(duì)汽車乘座的舒適性要求越來越高，有關(guān)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲、振動(dòng)和行駛平順性（NVH）的研究愈來愈受到人們的重視 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)NVH分析的重要組成部分。嚴(yán)重的扭振會(huì)使曲軸斷裂或連桿、活塞等相關(guān)零件損壞 也嚴(yán)重影響到整車傳動(dòng)系的穩(wěn)定性。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試 以評(píng)價(jià)其扭振的性能 常用的方法是在軸上安裝等分結(jié)構(gòu)（如齒盤）進(jìn)行非接觸式測(cè)量。

2 曲軸扭振的產(chǎn)生

在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過程中 有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng) 其性能指標(biāo)也就變差了 如果繼續(xù)在這一轉(zhuǎn)速下工作就有可能發(fā)生曲軸斷裂、連桿、活塞等零件損壞、正時(shí)齒輪打齒等一系列惡性事故 但當(dāng)提高或者降低發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速 這一現(xiàn)象將逐漸減弱并消失 發(fā)動(dòng)機(jī)重新恢復(fù)正常工作狀態(tài) 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸在使用的過程中發(fā)生了大幅度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 簡稱扭振。

當(dāng)外界扭轉(zhuǎn)力矩的頻率與曲軸的共振頻率相同時(shí) 曲軸的扭轉(zhuǎn)變形幅度將大大超過正常值 這種共振現(xiàn)象是我們不希望發(fā)生的。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)曲軸扭矩M數(shù)學(xué)公式可表達(dá)為：

式中：M0為單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的平均扭矩;為扭矩Mg的第k階簡諧分量;ω為工作過程周期變化的園頻率 ω=2π/T;T為工作過程完成一個(gè)循環(huán)的周期;δk為第k階諧量的初相位。

由式（1）可以看出 曲軸上除了作用著一個(gè)真正用來驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)的平均力矩M0之外 還作用著多個(gè)簡諧力矩 它們對(duì)曲軸的旋轉(zhuǎn)起到干擾作用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速 施加在曲軸上的周期性變化的某一階簡諧力矩與曲軸本身的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率相同時(shí) 曲軸就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象 此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速叫做發(fā)動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速 發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)嚴(yán)禁長時(shí)間在此轉(zhuǎn)速下工作。

3 曲軸扭振的測(cè)試

3.1 扭振測(cè)試分析

扭振測(cè)試是在測(cè)試系統(tǒng)中采集的一系列轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)計(jì)算出軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速 并由此計(jì)算出扭振的角度。

實(shí)際測(cè)試中 扭振可以用角位移、角速度和速度描述 利用安裝在軸上的測(cè)速齒盤進(jìn)行扭振測(cè)量時(shí) 實(shí)質(zhì)為測(cè)量相鄰兩齒間的平均角速度：

式中 θ0為齒盤兩齒間的角度 θ0=2π/n;n為齒數(shù);△ti為相鄰兩齒同一位置轉(zhuǎn)過磁電傳感器的時(shí)間差 △ti = tn+1 -tn。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)安裝

在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)中 測(cè)速齒盤的安裝精度直接影響試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果 安裝時(shí)要注意測(cè)速齒盤和減震皮帶輪之間保持一定的間隙 并保證同心。安裝簡圖如圖1所示。

實(shí)際測(cè)試中 設(shè)曲軸旋轉(zhuǎn)以o2為圓心 測(cè)速齒盤旋轉(zhuǎn)以o1為圓心 為了保證測(cè)試精度 要求安裝時(shí)兩個(gè)圓心一定同心。若在測(cè)速齒盤偏心狀態(tài)下 即使曲軸沒有發(fā)生扭振 在傳感器上會(huì)得到偽扭振值。偽扭振信號(hào)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的扭振信號(hào)產(chǎn)生影響 導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不真實(shí)。

3.3 測(cè)試內(nèi)容

通過以上理論分析 對(duì)2款四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了扭振測(cè)試 試驗(yàn)儀器和設(shè)備主要包括：轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取系統(tǒng)（測(cè)速齒盤和磁電式測(cè)速傳感器） Lms瞬態(tài)噪聲振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 裝有QTV板的SCADASⅢ采集前端和計(jì)算機(jī)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上 測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端（皮帶輪）處的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角度。試驗(yàn)工況為節(jié)氣門全開、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1000r/min開始均勻加速到額定轉(zhuǎn)速。得到曲軸前端扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率的變化關(guān)系。

3.4 試驗(yàn)方法

（1）預(yù)熱 使水溫達(dá)到工作溫度 機(jī)油溫度85℃±5℃。

（2）起動(dòng)采集前端和計(jì)算機(jī) 檢查系統(tǒng)是否連接好。

（3）設(shè)定測(cè)量采樣參數(shù)。

（4）將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)到1000rpm 起動(dòng)QTV測(cè)量 將轉(zhuǎn)速從1000rpm緩慢調(diào)到5500rpm 完成自動(dòng)測(cè)量。

（5）關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在測(cè)試中保持A、B兩款發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速勻速變化 得到以頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為x、y坐標(biāo) 以扭轉(zhuǎn)角度為z坐標(biāo)的瀑布圖如圖2、圖3所示。

（1）轉(zhuǎn)速-頻率瀑布圖上可以看出 A、B兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的最大角振動(dòng)幅值出現(xiàn)第1階、第2階諧量 以第2階諧量為最大 最大值出現(xiàn)在低速低頻區(qū)。

（2）把兩個(gè)瀑布圖沿斜線切開 得到扭振角度在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的諧次振動(dòng)曲線 如圖4、圖5所示 可以看出兩款發(fā)動(dòng)機(jī)第2階諧量振動(dòng)都是在1000r/min時(shí)最高 隨著轉(zhuǎn)速的增高而迅速下降。在2000r/min附近達(dá)到基本穩(wěn)定 在2000r/min以上范圍內(nèi)維持比較小的振動(dòng)。

（3）在A款發(fā)動(dòng)機(jī)的瀑布圖上可以看出 該發(fā)動(dòng)機(jī)在290-360HZ間發(fā)生共振。這也導(dǎo)致A款發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振情況較B款發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)烈。

5 結(jié)論

以等分測(cè)試齒盤為發(fā)動(dòng)機(jī)扭振測(cè)試的信號(hào)測(cè)量齒盤 在保證安裝精度的情況下 對(duì)2款四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了測(cè)試分析 測(cè)試結(jié)果可以為正在研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善提供指導(dǎo)和幫助。

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