軸系扭振與噪聲課件

第四章曲軸系統(tǒng)扭振與噪聲

第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述第二節(jié)軸系固有振動(dòng)頻率第三節(jié)臨界轉(zhuǎn)速第四節(jié)扭振減振器第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及其降低11/1/20221內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第四章曲軸系統(tǒng)扭振與噪聲第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述10/2第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述每個(gè)曲拐上都作用著大小、方向都周期性變化的切向力（Ft）和徑向力（Fn）。因此，曲軸產(chǎn)生周期變化的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。于是，曲軸會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。其中使曲軸軸系各個(gè)軸段互相扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)稱為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。曲軸也存在彎曲振動(dòng)。但由于曲軸大都為全支承，跨度小，彎曲剛度大，彎曲振動(dòng)的固有頻率很高，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般不會(huì)產(chǎn)生共振。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)則不同，曲軸很長，展開長度更長，扭轉(zhuǎn)剛度較小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，所以扭振頻率較低，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)易發(fā)生強(qiáng)烈共振。11/1/20222內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述每個(gè)曲拐上都作用著大小、方向都周期概述外轉(zhuǎn)矩停止作用后系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，稱為固有扭振或自由扭振。固有扭振頻率稱為固有頻率。各元件振幅的相對比值稱為振形，它們?nèi)Q于扭振系統(tǒng)各元件的質(zhì)量和彈性及其在系統(tǒng)中的分布。強(qiáng)迫扭振頻率與固有頻率相同時(shí)，扭振振幅劇增，這種狀態(tài)稱為共振。發(fā)生共振的曲軸轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。由于曲軸有多個(gè)扭振自由度，因而有相應(yīng)多個(gè)固有頻率。另外，軸系的激振轉(zhuǎn)矩可分解出無限多個(gè)激振頻率，所以臨界轉(zhuǎn)速有很多個(gè)。但只有引起強(qiáng)烈共振的主臨界轉(zhuǎn)速值得考慮。目前，固有振動(dòng)可精確計(jì)算，但強(qiáng)迫扭振還難于計(jì)算。扭振減振的設(shè)計(jì)主要依靠試驗(yàn)方法。11/1/20223內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)概述外轉(zhuǎn)矩停止作用后系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，稱為固有扭振或自由扭振。第二節(jié)軸系固有扭振頻率1、計(jì)算模型工程中常用由圓盤和直軸組成的有限自由度系統(tǒng)作為曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算模型。這種方法計(jì)算方便且足夠精確，如六缸直列機(jī)可簡化為8自由度計(jì)算模型。11/1/20224內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第二節(jié)軸系固有扭振頻率1、計(jì)算模型10/23/202242、三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果通過求解可解出兩個(gè)固有頻率ωeI、ωeII，對應(yīng)有第一主振形和第二主振形。第一主振形上有一個(gè)始終不振動(dòng)的點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)），又稱為一節(jié)點(diǎn)振形。第二主振形上有二個(gè)始終不振動(dòng)的點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))，又稱為二節(jié)點(diǎn)振形。11/1/20225內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)2、三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果通過求解可解出兩個(gè)固有頻率ωeI三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果三自由度軸系為上述兩個(gè)主振形的合成。振動(dòng)周期分別為：TI=2π/ωeITII=2π/ωeII每分鐘固有振動(dòng)數(shù)（min-1）分別為：neI=60/TI≈9.55ωeIneII=9.55ωeII11/1/20226內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果三自由度軸系為上述兩個(gè)主振形的合成。第三節(jié)臨界轉(zhuǎn)速對于四沖程機(jī)，作用在每一曲拐上的單拐轉(zhuǎn)矩T是曲軸轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，且可以展開為由頻率遞增而幅值一般遞減的一系列簡諧量構(gòu)成的無窮收斂級數(shù)（傅立葉級數(shù)）：式中，Tm為單拐平均轉(zhuǎn)矩；Tk為k階激發(fā)轉(zhuǎn)矩；為k階轉(zhuǎn)矩幅值；δk為k階轉(zhuǎn)矩初相角；k=0.5,1,1.5,2,2.5…為簡諧轉(zhuǎn)矩階數(shù)。理論上臨界轉(zhuǎn)速有無限多個(gè)：nkm=nem/k。式中，nkm為由k階激振轉(zhuǎn)矩引起軸系第m主振形共振的臨界轉(zhuǎn)速；nem為軸系第m主振形固有振動(dòng)數(shù)。11/1/20227內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三節(jié)臨界轉(zhuǎn)速對于四沖程機(jī)，作用在每一曲拐上的單拐轉(zhuǎn)矩T臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）但是所有臨界轉(zhuǎn)速中，只有少數(shù)幾個(gè)具有實(shí)際意義。首先，只在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)速才是需要研究的；其次，因?yàn)榧ふ褶D(zhuǎn)矩k階諧量幅值隨階數(shù)k的增大而減小，所以高階諧量引起的共振是不太危險(xiǎn)的。對于常用的高速內(nèi)燃機(jī)來說，有實(shí)際意義的只是第一主振形，只有少數(shù)情況下要研究第二主振形。即：nkI=neI/knkII=neII/k11/1/20228內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）但是所有臨界轉(zhuǎn)速中，只有少數(shù)幾個(gè)具有實(shí)際意義。臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）應(yīng)該考慮到，說明共振危險(xiǎn)程度，決定于作用在各曲拐上的激振轉(zhuǎn)矩對軸系所做之功。K階激振扭矩激發(fā)扭振所作的功為：如相位差δk-εi=900,則達(dá)最大值；如δk-εi=0，則功為零。11/1/20229內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）應(yīng)該考慮到，說明共振危險(xiǎn)程度，決定于作用在各曲臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）雖然不同扭振系統(tǒng)具體振形各不相同，但一般來說可以斷定：由內(nèi)燃機(jī)每一轉(zhuǎn)發(fā)火數(shù)的整倍數(shù)或半整倍數(shù)階激振轉(zhuǎn)矩引起的共振是最危險(xiǎn)的，稱為主共振或強(qiáng)共振。對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速稱為主（強(qiáng)）臨界轉(zhuǎn)速：z=1,2,3,…

11/1/202210內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）雖然不同扭振系統(tǒng)具體振形各不相同，但一般來說可第四節(jié)扭振減振器在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)主或強(qiáng)臨界轉(zhuǎn)速，則一般要用扭振儀測量曲軸共振振幅。如果共振振幅過大（或扭振附加應(yīng)力過大，或附加噪聲過大），則要采取措施消減扭振。對于內(nèi)燃機(jī)的扭振，理論上可以考慮提高軸系扭振固有頻率，避開某些危險(xiǎn)共振，但一般來說比較困難，且潛力有限。實(shí)用上比較方便的辦法是增大振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼，抑制其振動(dòng)振幅。在變工況高速內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最廣的是阻尼減振器，如硅油減振器、橡膠減振器和硅油橡膠復(fù)合減振器等。它們的結(jié)構(gòu)如圖9－25，減振效果如圖9－26。11/1/202211內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第四節(jié)扭振減振器在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)主或強(qiáng)扭振減振器（續(xù)）1、硅油減振器：構(gòu)造簡單，但尺寸質(zhì)量較大。2、橡膠減振器：比較輕巧，但橡膠力學(xué)性能不易控制。3、硅油橡膠復(fù)合減振器：綜合前二者的優(yōu)點(diǎn)。11/1/202212內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)扭振減振器（續(xù)）1、硅油減振器：構(gòu)造簡單，但尺寸質(zhì)量較大。1第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及其降低一、概述內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲可分為三部分：＃內(nèi)燃機(jī)整體在支承上的振動(dòng)引起的噪聲＃進(jìn)、排氣系統(tǒng)的氣體動(dòng)力噪聲＃內(nèi)燃機(jī)本身的機(jī)械噪聲 內(nèi)燃機(jī)本身產(chǎn)生的機(jī)械噪聲是問題的焦點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)的噪聲生成系統(tǒng)由產(chǎn)生激振力的噪聲源、傳遞激振力的機(jī)械結(jié)構(gòu)和聲輻射表面等構(gòu)成。11/1/202213內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及其降低一、概述10/23/202二、噪聲源分析1、燃燒減小遲燃期優(yōu)化噴油規(guī)律采用增壓技術(shù)2、活塞拍擊減小活塞組質(zhì)量減小活塞與氣缸的配合間隙偏置活塞銷11/1/202214內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)二、噪聲源分析1、燃燒10/23/202214內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)噪聲源分析（續(xù)）3、氣門凸輪機(jī)構(gòu)采用多氣門結(jié)構(gòu)采用頂置凸輪軸合理設(shè)計(jì)凸輪外形采用液壓間隙調(diào)整器4、其它噪聲源定時(shí)齒輪設(shè)計(jì)采用高效扭振減振器采用自動(dòng)控制轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇等等11/1/202215內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)噪聲源分析（續(xù)）3、氣門凸輪機(jī)構(gòu)10/23/202215內(nèi)燃三、隔聲降噪1、附屬件的頻率響應(yīng)極值不應(yīng)與機(jī)體的響應(yīng)極值重合2、機(jī)體采用對稱結(jié)構(gòu)3、氣缸蓋螺栓與主軸承螺栓在一條直線上，讓整個(gè)機(jī)體與氣缸蓋始終處于受壓狀態(tài)11/1/202216內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)三、隔聲降噪1、附屬件的頻率響應(yīng)極值不應(yīng)與機(jī)體的響應(yīng)極值重合隔聲降噪（續(xù)）4、在機(jī)體下端加裝一個(gè)下機(jī)座，或加一個(gè)梯子形的加強(qiáng)板5、保證氣缸工作表面變形最?。飧住⒒钊g隙為最?。?1/1/202217內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)隔聲降噪（續(xù)）4、在機(jī)體下端加裝一個(gè)下機(jī)座，或加一個(gè)梯子形的隔聲降噪（續(xù)）6、盡量采用雙層結(jié)構(gòu)機(jī)體7、殼體零件（油底殼、齒輪室蓋和氣缸蓋罩等）可采用懸浮連接。11/1/202218內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)隔聲降噪（續(xù)）6、盡量采用雙層結(jié)構(gòu)機(jī)體10/23/20221圖9－2511/1/202219內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)圖9－2510/23/202219內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)圖9－2611/1/202220內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)圖9－2610/23/202220內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第四章曲軸系統(tǒng)扭振與噪聲

第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述第二節(jié)軸系固有振動(dòng)頻率第三節(jié)臨界轉(zhuǎn)速第四節(jié)扭振減振器第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及其降低11/1/202221內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第四章曲軸系統(tǒng)扭振與噪聲第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述10/2第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述每個(gè)曲拐上都作用著大小、方向都周期性變化的切向力（Ft）和徑向力（Fn）。因此，曲軸產(chǎn)生周期變化的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。于是，曲軸會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。其中使曲軸軸系各個(gè)軸段互相扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)稱為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。曲軸也存在彎曲振動(dòng)。但由于曲軸大都為全支承，跨度小，彎曲剛度大，彎曲振動(dòng)的固有頻率很高，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)一般不會(huì)產(chǎn)生共振。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)則不同，曲軸很長，展開長度更長，扭轉(zhuǎn)剛度較小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，所以扭振頻率較低，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)易發(fā)生強(qiáng)烈共振。11/1/202222內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第一節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)概述每個(gè)曲拐上都作用著大小、方向都周期概述外轉(zhuǎn)矩停止作用后系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，稱為固有扭振或自由扭振。固有扭振頻率稱為固有頻率。各元件振幅的相對比值稱為振形，它們?nèi)Q于扭振系統(tǒng)各元件的質(zhì)量和彈性及其在系統(tǒng)中的分布。強(qiáng)迫扭振頻率與固有頻率相同時(shí)，扭振振幅劇增，這種狀態(tài)稱為共振。發(fā)生共振的曲軸轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。由于曲軸有多個(gè)扭振自由度，因而有相應(yīng)多個(gè)固有頻率。另外，軸系的激振轉(zhuǎn)矩可分解出無限多個(gè)激振頻率，所以臨界轉(zhuǎn)速有很多個(gè)。但只有引起強(qiáng)烈共振的主臨界轉(zhuǎn)速值得考慮。目前，固有振動(dòng)可精確計(jì)算，但強(qiáng)迫扭振還難于計(jì)算。扭振減振的設(shè)計(jì)主要依靠試驗(yàn)方法。11/1/202223內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)概述外轉(zhuǎn)矩停止作用后系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，稱為固有扭振或自由扭振。第二節(jié)軸系固有扭振頻率1、計(jì)算模型工程中常用由圓盤和直軸組成的有限自由度系統(tǒng)作為曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算模型。這種方法計(jì)算方便且足夠精確，如六缸直列機(jī)可簡化為8自由度計(jì)算模型。11/1/202224內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第二節(jié)軸系固有扭振頻率1、計(jì)算模型10/23/202242、三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果通過求解可解出兩個(gè)固有頻率ωeI、ωeII，對應(yīng)有第一主振形和第二主振形。第一主振形上有一個(gè)始終不振動(dòng)的點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)），又稱為一節(jié)點(diǎn)振形。第二主振形上有二個(gè)始終不振動(dòng)的點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))，又稱為二節(jié)點(diǎn)振形。11/1/202225內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)2、三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果通過求解可解出兩個(gè)固有頻率ωeI三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果三自由度軸系為上述兩個(gè)主振形的合成。振動(dòng)周期分別為：TI=2π/ωeITII=2π/ωeII每分鐘固有振動(dòng)數(shù)（min-1）分別為：neI=60/TI≈9.55ωeIneII=9.55ωeII11/1/202226內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)三自由度固有頻率計(jì)算結(jié)果三自由度軸系為上述兩個(gè)主振形的合成。第三節(jié)臨界轉(zhuǎn)速對于四沖程機(jī)，作用在每一曲拐上的單拐轉(zhuǎn)矩T是曲軸轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，且可以展開為由頻率遞增而幅值一般遞減的一系列簡諧量構(gòu)成的無窮收斂級數(shù)（傅立葉級數(shù)）：式中，Tm為單拐平均轉(zhuǎn)矩；Tk為k階激發(fā)轉(zhuǎn)矩；為k階轉(zhuǎn)矩幅值；δk為k階轉(zhuǎn)矩初相角；k=0.5,1,1.5,2,2.5…為簡諧轉(zhuǎn)矩階數(shù)。理論上臨界轉(zhuǎn)速有無限多個(gè)：nkm=nem/k。式中，nkm為由k階激振轉(zhuǎn)矩引起軸系第m主振形共振的臨界轉(zhuǎn)速；nem為軸系第m主振形固有振動(dòng)數(shù)。11/1/202227內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第三節(jié)臨界轉(zhuǎn)速對于四沖程機(jī)，作用在每一曲拐上的單拐轉(zhuǎn)矩T臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）但是所有臨界轉(zhuǎn)速中，只有少數(shù)幾個(gè)具有實(shí)際意義。首先，只在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)速才是需要研究的；其次，因?yàn)榧ふ褶D(zhuǎn)矩k階諧量幅值隨階數(shù)k的增大而減小，所以高階諧量引起的共振是不太危險(xiǎn)的。對于常用的高速內(nèi)燃機(jī)來說，有實(shí)際意義的只是第一主振形，只有少數(shù)情況下要研究第二主振形。即：nkI=neI/knkII=neII/k11/1/202228內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）但是所有臨界轉(zhuǎn)速中，只有少數(shù)幾個(gè)具有實(shí)際意義。臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）應(yīng)該考慮到，說明共振危險(xiǎn)程度，決定于作用在各曲拐上的激振轉(zhuǎn)矩對軸系所做之功。K階激振扭矩激發(fā)扭振所作的功為：如相位差δk-εi=900,則達(dá)最大值；如δk-εi=0，則功為零。11/1/202229內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）應(yīng)該考慮到，說明共振危險(xiǎn)程度，決定于作用在各曲臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）雖然不同扭振系統(tǒng)具體振形各不相同，但一般來說可以斷定：由內(nèi)燃機(jī)每一轉(zhuǎn)發(fā)火數(shù)的整倍數(shù)或半整倍數(shù)階激振轉(zhuǎn)矩引起的共振是最危險(xiǎn)的，稱為主共振或強(qiáng)共振。對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速稱為主（強(qiáng)）臨界轉(zhuǎn)速：z=1,2,3,…

11/1/202230內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速（續(xù)）雖然不同扭振系統(tǒng)具體振形各不相同，但一般來說可第四節(jié)扭振減振器在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)主或強(qiáng)臨界轉(zhuǎn)速，則一般要用扭振儀測量曲軸共振振幅。如果共振振幅過大（或扭振附加應(yīng)力過大，或附加噪聲過大），則要采取措施消減扭振。對于內(nèi)燃機(jī)的扭振，理論上可以考慮提高軸系扭振固有頻率，避開某些危險(xiǎn)共振，但一般來說比較困難，且潛力有限。實(shí)用上比較方便的辦法是增大振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼，抑制其振動(dòng)振幅。在變工況高速內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最廣的是阻尼減振器，如硅油減振器、橡膠減振器和硅油橡膠復(fù)合減振器等。它們的結(jié)構(gòu)如圖9－25，減振效果如圖9－26。11/1/202231內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第四節(jié)扭振減振器在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)主或強(qiáng)扭振減振器（續(xù)）1、硅油減振器：構(gòu)造簡單，但尺寸質(zhì)量較大。2、橡膠減振器：比較輕巧，但橡膠力學(xué)性能不易控制。3、硅油橡膠復(fù)合減振器：綜合前二者的優(yōu)點(diǎn)。11/1/202232內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)扭振減振器（續(xù)）1、硅油減振器：構(gòu)造簡單，但尺寸質(zhì)量較大。1第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及其降低一、概述內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲可分為三部分：＃內(nèi)燃機(jī)整體在支承上的振動(dòng)引起的噪聲＃進(jìn)、排氣系統(tǒng)的氣體動(dòng)力噪聲＃內(nèi)燃機(jī)本身的機(jī)械噪聲 內(nèi)燃機(jī)本身產(chǎn)生的機(jī)械噪聲是問題的焦點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)的噪聲生成系統(tǒng)由產(chǎn)生激振力的噪聲源、傳遞激振力的機(jī)械結(jié)構(gòu)和聲輻射表面等構(gòu)成。11/1/202233內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)第五節(jié)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及其降低一、概述10/23/202二、噪聲