3-發(fā)動(dòng)機(jī)軸系扭振

1、 汽 車(chē) 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 設(shè) 計(jì) 主講：畢玉華車(chē)輛工程系第三章發(fā)動(dòng)機(jī)軸系扭振3.1 基本概念 3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)軸系扭振分析 3.3 減振措施 車(chē)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(jiǎn)諧性扭矩的激勵(lì)下它會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)當(dāng)激勵(lì)扭矩的頻率趨近于軸系的固有頻率時(shí)扭振振幅急劇增大。缸數(shù)越多，曲軸越長(zhǎng)這種現(xiàn)象越明顯。危害：強(qiáng)烈的共振會(huì)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(chē)輛工程系2.1 基本概念曲軸扭振計(jì)算步驟 當(dāng)量系統(tǒng)換算 自由振動(dòng)計(jì)算 強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算 減振和避振計(jì)算車(chē)輛工程系扭振系統(tǒng)固有頻率與固

2、有振型計(jì)算一 單自由度扭擺自由振動(dòng)車(chē)輛工程系一 單自由度扭擺自由振動(dòng)車(chē)輛工程系二自由度扭擺自由振動(dòng)車(chē)輛工程系二自由度扭擺自由振動(dòng)車(chē)輛工程系三自由度扭擺自由振動(dòng)車(chē)輛工程系三自由度扭擺系統(tǒng)車(chē)輛工程系三自由度扭擺系統(tǒng)車(chē)輛工程系三自由度扭擺系統(tǒng)第一主振型 單結(jié)振動(dòng)主振型有一個(gè)結(jié)點(diǎn)。第二主振型 雙結(jié)振動(dòng)主振型有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)。 三質(zhì)量扭振系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是由以上兩種振型合成的結(jié)果。車(chē)輛工程系多自由度扭擺自由振動(dòng)車(chē)輛工程系 式中：下腳標(biāo)的第一數(shù)字為質(zhì)量標(biāo)號(hào)，第二數(shù)字為振動(dòng)級(jí)別。描述了多自由度扭振系統(tǒng)固有振動(dòng)的物理狀態(tài)。每一項(xiàng)代表各質(zhì)量同頻同相的諧振動(dòng)，稱(chēng)為第？階主振動(dòng)。 稱(chēng)為i階主振型， 稱(chēng)為i階固有頻率。多自由度扭

3、擺自由振動(dòng)車(chē)輛工程系每個(gè)質(zhì)量都在作很復(fù)雜的復(fù)諧運(yùn)動(dòng)，它由各主振動(dòng)合成，而每一個(gè)主振動(dòng)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(gè)振動(dòng)級(jí)別，它表明各質(zhì)量的同一振動(dòng)級(jí)有相同固有頻率和相同的初相位，但不同振動(dòng)級(jí)別的主振動(dòng)的頻率和初相位都是不同。方程組每一橫行共有n-1項(xiàng)，表明n個(gè)質(zhì)量的自由振動(dòng)系統(tǒng)可以有n-1個(gè)級(jí)的振動(dòng)和n-1個(gè)固有頻率。多自由度扭擺自由振動(dòng)小結(jié)車(chē)輛工程系理論 Theories軸系當(dāng)量系統(tǒng)自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)Cranktrain Equivalent System Natural Property and Forced Vibration當(dāng)扭矩M=0時(shí),

4、計(jì)算系統(tǒng)自由振動(dòng),有結(jié)果：特征值EigenValue,即固有頻率特征向量EigenMode,即振型(不超過(guò)方程維數(shù),一般取15結(jié))當(dāng)扭矩M0時(shí),計(jì)算系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng),有結(jié)果:扭振振幅、軸段扭矩等對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的結(jié)和諧次車(chē)輛工程系軸系強(qiáng)迫振動(dòng)當(dāng)量系統(tǒng)簡(jiǎn)諧激振下扭擺運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 多自由度扭擺對(duì)于圓頻率為 的簡(jiǎn)諧激勵(lì)的相應(yīng)是同頻率的簡(jiǎn)諧激勵(lì)，包含同自由度數(shù)的主振型成分，當(dāng)激勵(lì)頻率等于固有頻率時(shí)，發(fā)生共振。復(fù)諧激振下扭擺運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)車(chē)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(dòng)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(dòng)慣量，減振器分成兩個(gè)慣量C為兩慣量間結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度發(fā)動(dòng)機(jī)軸系簡(jiǎn)化車(chē)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(chē)輛工程系理論 Theories轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(由EXCITE DESIGNER內(nèi)部計(jì)算或外部輸入):

7、氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 - 氣缸內(nèi)活塞、連桿、曲拐等運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量集中在氣缸中心線位置，采用動(dòng)能相等原則折算，與曲拐的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量疊加。飛輪、推力盤(pán)、彈性聯(lián)軸器等有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的部件，將其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量一般可平均分配于該兩集中質(zhì)量上。較長(zhǎng)軸系的船舶動(dòng)力裝置中間軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可分配在軸系中各連接法蘭的位置上齒輪傳動(dòng)裝置中，嚙合齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過(guò)傳動(dòng)比關(guān)系轉(zhuǎn)換合并成一個(gè)集中質(zhì)量。對(duì)于主、從動(dòng)軸：速比i=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速/主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，則將從動(dòng)齒輪慣量I折算到主動(dòng)軸時(shí)為i2I軸系當(dāng)量化簡(jiǎn)的基本假定Cranktrain Equivalent System Assumpti

8、ons車(chē)輛工程系理論 Theories車(chē)輛工程系理論 Theories扭轉(zhuǎn)剛度(由DESIGNER內(nèi)部計(jì)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(shí),不計(jì)其從動(dòng)盤(pán)對(duì)于主、從動(dòng)軸：速比i=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速/主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，則將從動(dòng)齒輪剛度k折算到主動(dòng)軸時(shí)為i2k軸系當(dāng)量化簡(jiǎn)的基本假定Cranktrain Equivalent System Assumptions扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)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(guó)內(nèi)燃機(jī)研究協(xié)會(huì)方法)(acc. to Timoshenko method)軸段剛度Shaft Stiffness: Torsional stiffness of stepped shaft (consists of several shaft parts)車(chē)輛工程系理論 Theories軸系當(dāng)量化簡(jiǎn)的基本假定Cranktrain Equivalent System Assumptions阻尼(外部參數(shù)輸入):與質(zhì)量運(yùn)動(dòng)有關(guān)的阻尼,如發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jì)算或外部輸入):發(fā)動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)諧分析，相位以氣缸沖程上死點(diǎn)為基礎(chǔ)。車(chē)輛工程系理論 Theories簡(jiǎn)化后的慣量和彈簧個(gè)數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定,可計(jì)入齒輪嚙合、高彈聯(lián)軸節(jié)等部件。具體情況具體討論。計(jì)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(shí)際的連續(xù)系統(tǒng)就有差別。在計(jì)算系統(tǒng)簡(jiǎn)化過(guò)程中會(huì)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(yàn)結(jié)果為最終檢測(cè)要求。 軸系當(dāng)量化簡(jiǎn)的注意事項(xiàng)Cranktrain Equival

11、ent System車(chē)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(xiě)為:其中:I 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,D 扭轉(zhuǎn)阻尼,C 扭轉(zhuǎn)剛度, 角位移,M 扭矩車(chē)輛工程系理論 Theories軸系扭振 Torsional Vibration Calculation系統(tǒng)氣缸絕對(duì)阻尼定義System Damping with Absolute Damping車(chē)輛工程系理論 Theories軸系扭振 Torsional

12、Vibration Calculation系統(tǒng)絕對(duì)和相對(duì)阻尼定義System Damping with Absolute and Relative Damping氣缸絕對(duì)阻尼金屬內(nèi)部相對(duì)阻尼車(chē)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(dòng)角速度的阻尼力矩,其功表明各類(lèi)阻尼的能耗,其中最主要的是各類(lèi)摩擦能耗。一般可用試驗(yàn)方法測(cè)得,并折算到一個(gè)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(duì)阻尼)的估算理論 Theories車(chē)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(dòng)機(jī)機(jī)體 Engine Block無(wú)對(duì)話框表明發(fā)動(dòng)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(chē)輛工程系發(fā)動(dòng)機(jī)軸系的激振力矩簡(jiǎn)諧分析 將周期函數(shù)分解為傅立葉函數(shù)的方法。車(chē)輛工程系簡(jiǎn)諧系數(shù)表 簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)軸系的激振力矩車(chē)輛工程系車(chē)輛工程系發(fā)動(dòng)機(jī)軸系對(duì)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(chē)輛工程系六缸直列四沖程第一主振型下的共振曲線車(chē)輛工程系減振措施與減振器減振措施簡(jiǎn)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(dòng)力減振器阻尼減振器阻尼彈性減振器車(chē)輛工程系減振措施與減振器減振器工作原理車(chē)輛工程系減振措施與減振器減振器工作原理動(dòng)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(chē)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(chē)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(chē)輛工程系減振措施與減振器減振器結(jié)構(gòu)減振器 車(chē)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(dòng)慣量?jī)?nèi)部計(jì)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(lèi)型ShaftModeler單元特性 Element Properties車(chē)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(jì)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(chē)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(dòng)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(chē)輛工程系理論 Theories減振器扭轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度的估算注意:實(shí)際動(dòng)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(yàn)校核其工作頻率。車(chē)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(chē)輛工程系硅油減振器 Viscous Damperringhub在運(yùn)動(dòng)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(chē)輛工程系硅油減振器 Viscous Damper減振器絕對(duì)阻尼值ShaftModeler單元特性 Element Properties扭振減