3-發(fā)動機(jī)軸系扭振

1、 汽 車 發(fā) 動 機(jī) 設(shè) 計 主講：畢玉華車輛工程系第三章發(fā)動機(jī)軸系扭振3.1 基本概念 3.2 發(fā)動機(jī)軸系扭振分析 3.3 減振措施 車輛工程系2.1 基本概念共振現(xiàn)象 定義：內(nèi)燃機(jī)軸系由鋼材或球墨鑄鐵制成既有彈性又有慣性并有自身的固有頻率。在簡諧性扭矩的激勵下它會產(chǎn)生強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)振動當(dāng)激勵扭矩的頻率趨近于軸系的固有頻率時扭振振幅急劇增大。缸數(shù)越多，曲軸越長這種現(xiàn)象越明顯。危害：強(qiáng)烈的共振會破壞內(nèi)燃機(jī)的正常工作和各缸的均衡導(dǎo)致齒輪撞擊噪聲增大功率下降零件損壞甚至斷軸。車輛工程系2.1 基本概念曲軸扭振計算步驟 當(dāng)量系統(tǒng)換算 自由振動計算 強(qiáng)迫振動計算 減振和避振計算車輛工程系扭振系統(tǒng)固有頻率與固

2、有振型計算一 單自由度扭擺自由振動車輛工程系一 單自由度扭擺自由振動車輛工程系二自由度扭擺自由振動車輛工程系二自由度扭擺自由振動車輛工程系三自由度扭擺自由振動車輛工程系三自由度扭擺系統(tǒng)車輛工程系三自由度扭擺系統(tǒng)車輛工程系三自由度扭擺系統(tǒng)第一主振型 單結(jié)振動主振型有一個結(jié)點。第二主振型 雙結(jié)振動主振型有兩個結(jié)點。 三質(zhì)量扭振系統(tǒng)的運動是由以上兩種振型合成的結(jié)果。車輛工程系多自由度扭擺自由振動車輛工程系 式中：下腳標(biāo)的第一數(shù)字為質(zhì)量標(biāo)號，第二數(shù)字為振動級別。描述了多自由度扭振系統(tǒng)固有振動的物理狀態(tài)。每一項代表各質(zhì)量同頻同相的諧振動，稱為第？階主振動。 稱為i階主振型， 稱為i階固有頻率。多自由度扭

3、擺自由振動車輛工程系每個質(zhì)量都在作很復(fù)雜的復(fù)諧運動，它由各主振動合成，而每一個主振動都有自己的振形、角頻率、振幅、初相位。方程組每一直列描述多自由扭振系統(tǒng)的一個振動級別，它表明各質(zhì)量的同一振動級有相同固有頻率和相同的初相位，但不同振動級別的主振動的頻率和初相位都是不同。方程組每一橫行共有n-1項，表明n個質(zhì)量的自由振動系統(tǒng)可以有n-1個級的振動和n-1個固有頻率。多自由度扭擺自由振動小結(jié)車輛工程系理論 Theories軸系當(dāng)量系統(tǒng)自由振動和強(qiáng)迫振動Cranktrain Equivalent System Natural Property and Forced Vibration當(dāng)扭矩M=0時,

4、計算系統(tǒng)自由振動,有結(jié)果：特征值EigenValue,即固有頻率特征向量EigenMode,即振型(不超過方程維數(shù),一般取15結(jié))當(dāng)扭矩M0時,計算系統(tǒng)強(qiáng)迫振動,有結(jié)果:扭振振幅、軸段扭矩等對四沖程發(fā)動機(jī)，主要扭振形式有四缸機(jī)：2, 4, 6等諧次六缸機(jī)：3, 4.5, 6, 7.5, 9等諧次觀察發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的結(jié)和諧次車輛工程系軸系強(qiáng)迫振動當(dāng)量系統(tǒng)簡諧激振下扭擺運動特點 多自由度扭擺對于圓頻率為 的簡諧激勵的相應(yīng)是同頻率的簡諧激勵，包含同自由度數(shù)的主振型成分，當(dāng)激勵頻率等于固有頻率時，發(fā)生共振。復(fù)諧激振下扭擺運動特點車輛工程系扭振當(dāng)量系統(tǒng)集中質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)阻尼分為：發(fā)動機(jī)氣缸當(dāng)量阻

5、尼扭振減振器阻尼金屬材料阻尼減振器 第一拐 第一拐 第一拐 第一拐 飛輪離合器Ring I1 I3 I4 I5 I6 I7Hub I2I1 C12 I2 C23 I3 C34 I4 C45 I5 C56 I6 C67 I7其中：I為轉(zhuǎn)動慣量，減振器分成兩個慣量C為兩慣量間結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度發(fā)動機(jī)軸系簡化車輛工程系A(chǔ)pplicationsNode ElementIweb+CWIRingIHubIMJIMJIMJIMJIMJICP,Rot, Recip ICP,Rot, Recip ICP,Rot, Recip ICP,Rot, Recip IFWCWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2

6、MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CWeb, 1/2MJ, 1/2CP CDamperInternally:例:Example: Inline 4- Cylinder Engine軸系扭振 Torsional Vibration CalculationI1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12車輛工程系理論 Theories轉(zhuǎn)動慣量(由EXCITE DESIGNER內(nèi)部計算或外部輸入):

7、氣缸轉(zhuǎn)動慣量 - 氣缸內(nèi)活塞、連桿、曲拐等運動件的轉(zhuǎn)動慣量集中在氣缸中心線位置，采用動能相等原則折算，與曲拐的轉(zhuǎn)動慣量疊加。飛輪、推力盤、彈性聯(lián)軸器等有較大轉(zhuǎn)動慣量的部件，將其轉(zhuǎn)動慣量集中在各自的中心線位置相鄰兩集中質(zhì)量間的連接軸的轉(zhuǎn)動慣量一般可平均分配于該兩集中質(zhì)量上。較長軸系的船舶動力裝置中間軸的轉(zhuǎn)動慣量，可分配在軸系中各連接法蘭的位置上齒輪傳動裝置中，嚙合齒輪的轉(zhuǎn)動慣量通過傳動比關(guān)系轉(zhuǎn)換合并成一個集中質(zhì)量。對于主、從動軸：速比i=從動軸轉(zhuǎn)速/主動軸轉(zhuǎn)速，則將從動齒輪慣量I折算到主動軸時為i2I軸系當(dāng)量化簡的基本假定Cranktrain Equivalent System Assumpti

8、ons車輛工程系理論 Theories車輛工程系理論 Theories扭轉(zhuǎn)剛度(由DESIGNER內(nèi)部計算或外部輸入):扭轉(zhuǎn)剛度定義為相鄰兩集中質(zhì)量間的扭轉(zhuǎn)剛度彈性聯(lián)軸節(jié)可作為同等剛度的連接段進(jìn)行處理軸系中裝有不傳遞扭振的液力耦合器(可傳遞扭矩)時,不計其從動盤對于主、從動軸：速比i=從動軸轉(zhuǎn)速/主動軸轉(zhuǎn)速，則將從動齒輪剛度k折算到主動軸時為i2k軸系當(dāng)量化簡的基本假定Cranktrain Equivalent System Assumptions扭轉(zhuǎn)剛度計算Torsional Stiffness單拐剛度Throw Stiffness:Calculation of the crankthrow

9、 torsional stiffness(acc. to B.I.C.E.R.A. method 英國內(nèi)燃機(jī)研究協(xié)會方法)(acc. to Timoshenko method)軸段剛度Shaft Stiffness: Torsional stiffness of stepped shaft (consists of several shaft parts)車輛工程系理論 Theories軸系當(dāng)量化簡的基本假定Cranktrain Equivalent System Assumptions阻尼(外部參數(shù)輸入):與質(zhì)量運動有關(guān)的阻尼,如發(fā)動機(jī)的氣缸阻尼,螺旋槳阻尼等,分配在集中質(zhì)量處作為質(zhì)量阻尼兩

10、相鄰轉(zhuǎn)動慣量間的阻尼,如軸段阻尼和減振器阻尼外載(由EXCITE DESIGNER內(nèi)部計算或外部輸入):發(fā)動機(jī)及其驅(qū)動部件產(chǎn)生的干擾力矩是周期性的。各缸干擾力間的相位差取決于發(fā)火順序。需進(jìn)行簡諧分析，相位以氣缸沖程上死點為基礎(chǔ)。車輛工程系理論 Theories簡化后的慣量和彈簧個數(shù)應(yīng)根據(jù)實際情況確定,可計入齒輪嚙合、高彈聯(lián)軸節(jié)等部件。具體情況具體討論。計算分岔系統(tǒng)。集中質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)的分析方法本身與實際的連續(xù)系統(tǒng)就有差別。在計算系統(tǒng)簡化過程中會導(dǎo)入許多誤差,必須一再檢查,并使誤差帶減小到心中有數(shù)的合理范圍。以試驗結(jié)果為最終檢測要求。 軸系當(dāng)量化簡的注意事項Cranktrain Equival

11、ent System車輛工程系理論 Theories軸系當(dāng)量系統(tǒng)方程Cranktrain Equivalent System Dynamic EquationI1 C12 I2 C23 I3 C34 I4 C45 I5 C56 I6 C67 I7根據(jù)牛二定律,有方程:可寫為:其中:I 轉(zhuǎn)動慣量,D 扭轉(zhuǎn)阻尼,C 扭轉(zhuǎn)剛度, 角位移,M 扭矩車輛工程系理論 Theories軸系扭振 Torsional Vibration Calculation系統(tǒng)氣缸絕對阻尼定義System Damping with Absolute Damping車輛工程系理論 Theories軸系扭振 Torsional

12、Vibration Calculation系統(tǒng)絕對和相對阻尼定義System Damping with Absolute and Relative Damping氣缸絕對阻尼金屬內(nèi)部相對阻尼車輛工程系阻尼一般與速度有直接關(guān)系,故在扭振中，線性阻尼定義為單位振動角速度的阻尼力矩,其功表明各類阻尼的能耗,其中最主要的是各類摩擦能耗。一般可用試驗方法測得,并折算到一個曲拐上的當(dāng)量值。主要指活塞與缸套間阻尼損，缸徑越大，沖程越大，該值越大。單氣缸當(dāng)量阻尼(絕對阻尼)的估算理論 Theories車輛工程系單元特性 Element Properties飛輪(+離合器) Flywheel齒輪帶輪 Tooth

13、ed wheel發(fā)動機(jī)機(jī)體 Engine Block無對話框表明發(fā)動機(jī)機(jī)體,需連接軸承和氣缸阻尼繞曲軸中心的慣量金屬結(jié)構(gòu)材料阻尼, 非常小,可取 0 Nms/rad繞曲軸中心的慣量質(zhì)量車輛工程系發(fā)動機(jī)軸系的激振力矩簡諧分析 將周期函數(shù)分解為傅立葉函數(shù)的方法。車輛工程系簡諧系數(shù)表 簡諧系數(shù)就是折算到活塞面積上的v次激振力。激振力矩（轉(zhuǎn)矩）往復(fù)慣性力氣體作用力 帶半次和4次以上的諧量分析依據(jù)主諧波與次主諧波發(fā)動機(jī)軸系的激振力矩車輛工程系車輛工程系發(fā)動機(jī)軸系對激振相應(yīng)共振轉(zhuǎn)速與強(qiáng)共振諧次確定 引起二階共振的激振諧波次數(shù)比引起高階共振的諧波次數(shù)低得多，諧波次數(shù)越低，扭矩振幅就越大。二階剛度比其它高階剛

14、度小的多，這種軸系得最強(qiáng)共振是次數(shù)最低得諧波引起得二階共振，強(qiáng)共振轉(zhuǎn)速一般靠近最大轉(zhuǎn)速車輛工程系六缸直列四沖程第一主振型下的共振曲線車輛工程系減振措施與減振器減振措施簡單回避調(diào)整固有頻率減小某些諧次的當(dāng)量激振力矩裝設(shè)減振器動力減振器阻尼減振器阻尼彈性減振器車輛工程系減振措施與減振器減振器工作原理車輛工程系減振措施與減振器減振器工作原理動力減振器 適用于激振力矩頻率不變或較小，或在固定轉(zhuǎn)速下工作的系統(tǒng)。車輛工程系減振措施與減振器減振器工作原理阻尼減振器 車輛工程系減振措施與減振器減振器工作原理阻尼彈性減振器 車輛工程系減振措施與減振器減振器結(jié)構(gòu)減振器 車輛工程系扭振減振器 Damper金屬結(jié)構(gòu)材

15、料阻尼, 非常小,可取 0 Nms/rad轉(zhuǎn)動慣量內(nèi)部計算固定于曲軸的慣量塊曲軸可能前端,或后端,或兩端帶有扭振減振器,包括:橡膠,硅油扭振減振器 A crankshaft can possibly have a damper at the front end or rear end or both.單/雙自由慣量塊，一般1減振器輸入數(shù)據(jù)類型ShaftModeler單元特性 Element Properties車輛工程系橡膠減振器 Rubber Damper比例阻尼系數(shù)阻尼-彈簧能量比:常取1.2-1.4,取決于減振器設(shè)計參數(shù)和橡膠材料ringhubrubberShaftModeler單元特性

16、 Element Properties扭振減振器 DamperThe design of rubber for operating at high temperatures and for withstanding high shear is important.車輛工程系扭振減振器 Damper金屬結(jié)構(gòu)材料阻尼, 非常小,可取 0 Nms/rad自由慣量塊ShaftModeler單元特性 Element Properties減振器扭轉(zhuǎn)動剛度橡膠減振器 Rubber Damper慣量減振器阻尼常數(shù)比例阻尼系數(shù)損失系數(shù)車輛工程系理論 Theories減振器扭轉(zhuǎn)動剛度C估算為:C = (2 f )

17、2 Iring Nm/rad 其中：f: 減振器第一階工作頻率HzIring: Ring的慣量 kgm2減振器動態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度的估算注意:實際動剛度與減振器結(jié)構(gòu)、硅油粘度等有關(guān),必須與減振器阻尼統(tǒng)一,而且應(yīng)由減振器廠試驗校核其工作頻率。車用一般在105106Nm/rad之間,一般結(jié)構(gòu)越大剛度越大。 扭振減振器 Damper車輛工程系硅油減振器 Viscous Damperringhub在運動慣性塊和固定慣性塊間為高粘度液體,常用硅油ShaftModeler單元特性 Element Properties扭振減振器 Damper車輛工程系硅油減振器 Viscous Damper減振器絕對阻尼值ShaftModeler單元特性 Element Properties扭振減