耐久试验对发动机扭振的影响研究

高培龙，卢洪英，严丽丽，刘华军，辛海霞（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

耐久试验对发动机扭振的影响研究

高培龙，卢洪英，严丽丽，刘华军，辛海霞
（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

发动机曲轴扭振是影响整车舒适性的一个重要方面。其中，扭转振动大小的影响因素有很多，发动机的缸数和冲程、发动机的负荷、缸内的燃烧，发动机零部件的形状和质量都会对扭振产生影响。情况表明，发动机经过耐久试验后使扭振角度幅值增大。经分析，曲轴皮带轮、张紧器，正时皮带和皮带轮 V带是耐久后影响扭振角度的主要因素。

发动机；扭振；耐久；影响因素

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.004

CLC NO.: U467.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-10-03

引言

众所周知，汽车已经成为人们生活不可缺少的一部分。在汽车行业的如火如荼发展的同时，为了满足汽车高性能的匹配需求，动力总成技术也在飞速发展。随着人们生活水平的提高，人们不但关注轿车的动力性和经济性，而且对轿车的舒适性要求越来越高，而发动机曲轴扭振则是影响整车舒适性的一个重要方面。

曲轴扭振，顾名思义，就是由于曲轴各轴段承受着周期性变化的激励而造成的各轴段相互扭转的振动。扭振包括两方面，第一方面是在发动机低转速下，主要表现为滚振，由于激励呈现周期性变化，导致的反应就是曲轴的旋转不稳定性，导致了存在曲轴扭转偏转时的角度差。当然的，扭转的角度差越大，危害也就越大。第二方面是在发动机高转速时，主要表现为曲轴扭振。由于曲轴整体转动的不平稳和各轴段的相互扭转，此时，当外界的激励的频率与曲轴的固有频率相同时，曲轴的扭转变形幅值将会很大，即产生共振。此时将严重影响发动机的使用寿命和安全性，如果继续在这一情况下工作，则可能发生断轴、主轴瓦损坏等一系列恶性事故。许多研究表明扭振是汽车发动机曲轴损坏的主要原因，因此分析研究发动机轴系扭振、做扭振试验就显得尤为重要。

扭振的影响因素有很多，其中发动机的缸数和冲程、发动机的负荷、缸内的燃烧，发动机零部件的形状和质量都会对扭振产生影响。最近发现，DAE有某款发动机机型经过耐久试验后曲轴旋转非常不平稳，扭振角度与新机器相差很大，扭转角度幅值增大。经CAE仿真分析，初步确定为曲轴皮带轮、张紧器、正时皮带和皮带轮V带是发动机耐久后使扭振变差的主要因素。本文重点研究的是扭振的第一方面，发动机耐久后是如何影响曲轴的旋转不稳定性，导致了扭转角度幅值的变化。

1、本文的研究意义和内容

1.1本文的研究意义

分析扭振最重要的方法就是最扭振试验，扭振试验的目的就是进行扭振分析。扭振分析就是一种针对旋转机械的信号分析手段，用于分析旋转机械的旋转不稳定性。通过数采设备和转速传感器将采集到的发动机转速信号进行处理，可以得到旋转机械的瞬态角速度、角加速度和角度幅值等信息，最终得到旋转机械的扭转方向的振动结果。本文的意义就是以扭振试验为基础，通过实验来找出发动机耐久后扭振水平变差的因素。

图1　扭振测试设备主机

图2　编码器

图3　磁电转速传感器

1.2本文的主要研究内容

基于经过耐久试验后使 DAE某机型前后扭振差距很大这个问题，经CAE分析后，目标初步锁定曲轴皮带轮、张紧器、正时带和皮带轮V带为主要影响因素。为了验证，寻找耐久后发动机扭振变差的因素，试验方案为对耐久后的这台发动机逐一更换上述零部件，通过数采设备测试发动机扭振水平，每一次的试验结果与耐久后状态时相对比，通过图像和数据的对比寻找验证是什么因素什么零部件使发动机耐久后扭振产生很大影响。本文重点分析的是二阶扭振角度曲线，由于二阶是发动机主点火阶次，二阶即为各阶次中角度最大的阶次曲线。

2、发动机耐久后对扭振的影响因素研究

2.1耐久后与新机器

对DAE的这款耐久后发动机，首先测其曲轴V带张紧力为120Hz，不改变其它任何状态，做扭振试验，与先前此型发动机新机器状态下的扭振水平做对比。接着逐次更换曲轴皮带轮、张紧器、正时带、皮带轮V带，每更换完一次零部件，按照相同工况，相同状态下做扭振试验。且每次更换零部件保证与耐久后初始状态一致，已经更换的零部件不再拆下。每次试验结果与耐久后状态相对比看变化趋势。

试验工况为全负荷从1000rpm上升到5500rpm，升速时间90s。耐久后与新机器的扭振试验结果，提取二阶次角度-转速曲线。转速单位n/min，角度单位deg。试验结果如图：

图4　耐久后与新机器对比

整体上看，发动机经耐久后最大角度增大 0.21°，占比12%。结论：经耐久后,发动机扭振角度幅值变大，扭振更剧烈。

2.2耐久后与更换曲轴皮带轮

将耐久后的发动机的曲轴皮带轮拆下，更换上新的曲轴皮带轮，保持皮带轮V带张紧力120Hz不变。前后结果对比如下：

图5　耐久后与更换曲轴皮带轮

更换皮带轮之后，角度下降0.04°，占比2%。结论：更换曲轴皮带轮之后，角度有小幅下降。

2.3耐久后与更换张紧器和正时带

再次更换张紧器和正时带后，前后对比如下图所示：

图6　耐久后与更换张紧器正时带

更换张紧器和正时带后，角度下降0.11°，占比6%。结论：更换张紧器和正时带后，扭转角度幅值有所下降，扭振有改善。

2.4耐久后与更换皮带轮V带

图7　耐久后与更换皮带轮V带

更换皮带轮V带后，试验结果如下：更换皮带轮V带后，角度下降0.25°，占比14%。结论：更换皮带轮V带后，扭振角度幅值显著下降。

2.5新机器与全部更换

图8　新机器与全部更换（即更换完皮带轮V带）

结论：发动机经耐久后扭振角度幅值变大。将曲轴皮带轮、张紧器、正时带、皮带轮V带都更换新件之后，扭振水平基本恢复到新机器水平，与CAE仿真结果计算吻合。其中，皮带轮对耐久影响贡献最小，张紧器和正时带有所贡献，曲轴皮带轮V带对耐久后扭振角度幅值变大影响最大。发动机经过耐久后，轮系部件疲劳老化，皮带磨损严重，固有属性有所变化，易出现打滑，抖动现象，对扭振影响较大，相应扭振角度幅值会变剧烈。

表1　更换零部件各状态下对扭振的影响

3、总结与展望

3.1总结

本文首先提出了发动机经耐久后扭振变坏这个问题，接着以发动机扭振试验为基础，与CAE仿真计算相结合，通过逐一更换零部件验证了是曲轴皮带轮、张紧器、正时带和皮带轮V带对发动机耐久后扭振变差产生的影响。轮系部件及皮带疲劳老化对扭振影响较大，防疲劳和减振是降低扭振的主要方向。

3.2展望

发动机扭振一直是一个重要的课题，至今我们仍然有很多问题没有解决，很多难关没有攻克。但是我们不会气馁，不会停止脚步，我们必然会在这方面投入更多精力，多做试验，在试验中发现问题，解决问题。

[1] 徐新天.扭转振动的减振及预防措施[J].武汉造船,1999(01).

[2] 胡旭刚.柴油机扭振监测方法研究[D].武汉理工大学,2008.

[3] 于学华.发动机曲轴系统扭转振动分析[J].设计·计算·研究,2008 (03).

The research on the influence of the torsional vibration after the
engine endurance test

Gao Peilong, Lu Hongying, Yan Lili, Liu Huajun, Xin Haixia
( Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060 )

Engine crankshaft torsional vibration is an important aspect of the impact of vehicle comfort. Among them, the torsional vibration factors have a lot of size, number of cylinders of the engine and stroke, engine load, in-cylinder combustion engine components will affect the shape and quality of the torsional vibration. Circumstances indicate that the engine after the endurance test so torsional vibration level increases. After analysis, the crankshaft pulley, tensioner, timing belt, V-belt pulleys are the main factors affecting the torsional vibration of the engine durability.

Engine; Torsion; EnduranceFactor

U467.2

A

1671-7988（2015）12-10-03

高培龙，助理工程师，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中，研究方向为整车/台架NVH试验。