汽车发动机曲轴扭转振动分析及控制

唐 明,孟 芳,苏丽华,董志斌,丛日新（长城汽车股份有限公司,河北 保定 071000）



汽车发动机曲轴扭转振动分析及控制

唐 明,孟 芳,苏丽华,董志斌,丛日新
（长城汽车股份有限公司,河北 保定 071000）

摘 要：社会经济在进行着快速的发展中，人们对于汽车的使用量也在逐渐的增加，我国对于汽车建设中是要求也越加严苛。在汽车公司进行汽车设计的过程中，对于发动机及行驶中的稳定程度越加重视。汽车发动机曲轴扭转振动是汽车公司在对于发动机研究中的热点课题。本为对于发动机的曲轴扭转技术进行较为全面的分析。

关键词：曲轴系；扭转振动；优化设计

0 前言

增加对于汽车发动机的振动分析与控制，在一定程度上面可以将汽车的内部结构进行优化，增加发动机的使用时间与汽车行驶过程中的稳定性能。曲轴扭转是发动机在工作过程中的主要部件，性能的好坏将直接对于汽车的整体性能进行影响。本文主要对于汽车中的曲轴扭转振动进行分析研究，这项研究是十分具有实际意义的。

1 汽车发动机曲轴扭转振动系统理论分析

1.1 ADAMS多刚体动力学理论

ADAMS动力学理论主要使用坐标方程式进行汽车在行驶中的发动机系统的分析。在ADAMS动力学理论中，将动力系统内的关性参考系中的坐标与方位坐标进行标注，并使用相对应的数学方程式进行多余坐标的约束，进而将已经标注的坐标进行变量。在对于动力学的分析过程中，使用数学方程式可以将计算的效率进行大幅度提升。

1.2 ADAMS多柔体动力学理论

在进行汽车生产建设中，在机械系统中已经广泛使用柔性材料，是生产设备运行中速度较快，但是运行的精度也在不断的提升，设备内的动力学性能变得更加繁琐。刚性研究体系已经不能满足对于动力学的研究，因此柔体动力学理论就在这种情况下产生。这种研究体系一般情况下是以刚性动力学体系作为参照依据，在对于柔体的研究中进常采用不同的处理形式。在一定程度上面刚性与柔性的个、动力学体系进行共同使用，可以对系统中的动力学进行更加全面的认识［1］。

2 曲轴动力学研究模型

2.1 三维几何模型

三维几何模型可以将曲轴系统的中每个零件间的关系进行清晰的展示。按照零件的规格与参数，利用相对应的三维软件就可以建立相对应的三维几何模型。将零件进行前期的部分改进，可以将曲轴系统的扭动振动特点进行更加全面的分析。

2.2 曲轴柔性体模型

曲轴在进行生产过程中需要经过多种的工艺过程，这种加工形式使曲轴变成为弹性连续体。在汽车的行驶过程中，曲轴不仅仅需要承受气体的压力与弹性上面的约束，还必须要根据行驶的实际情况作出相对应的扭矩。在多种作用力的共同作用下，曲轴所呈现出来的运动方式就较为繁琐。建立曲轴柔性体模型就是要将曲轴运行中的状态进行模拟，方便研究人员对于曲轴的研究。曲轴柔性体模型必须是在多体动力学作为理论依据的支撑下进行建立，在这种基础上面将有限元进行了解，进而将曲轴各阶段的振动形式与频率进行确认，实现对于曲轴柔性化的研究［2］。

3 曲轴扭转振动控制措施研究

3.1 影响曲轴扭转振动控制的抓哟因素

（1）发动机干扰力矩。将发动机干扰力矩在一定程度上面进行完善可以将曲轴中的振动频率进行减轻。在汽车进行生产过程中，将发动机上面的曲柄惯性质量进行减小，就可以将曲柄连杆间的比值就会进行变化，这种情况下的干扰力矩的工作性能就会进行影响。在将发动机中的相关因素进行改变的过程中，发动机的其他性能也在进行相对应的满足。因此，在实际生产中的改动可能性并不大［3］。

（2）曲轴系统的动态特性。曲轴系统在进行扭转动态性中有特定的干扰力矩。曲轴系统动态特性可以将曲轴在工作中的扭振进行研究，进而发现一种可以在固定范围将扭振响应较小的方式。

3.2 扭振控制措施

（1）将飞轮的转动惯量进行调整。在对于飞轮的转动惯量进行增加的过程中，可以将曲轴系统中的原有振动频率进行改变，就可以让共振发生的可能性进行降低，在一定程度上面将扭振的波动幅度进行降低。让飞轮的转动惯量进行增加在一定程度上面也可以将曲轴转动的稳定性进行提升，将发动机在进行工作中的波动进行降低。在科技人员对于飞轮转动研究中发现，如果惯量增加三分之一，曲轴系统的响应频率并没有发生什么改变，依旧是按照原有的转动频率进行工作，但是在曲轴的前端振动频率发生了较为清晰的降低，汽车公司在进行曲轴减震器的设计研究中，主要使用了ADAMS软件，在这种研究的基础上面将汽车的生产中的减震器进行完善。在对于飞轮的转动惯性进行增加的过程中，曲轴系统中的振动幅度发生了较为清晰的降低。

（2）对于汽车发动机发火顺序的改变。在原有的汽车进行发火进行更改，将曲轴系统中的振动频率机型强迫式改变。在对于扭振进行改变的过程中，曲轴系统的前端与边沿并没有什么频率上面的改变。造成这种现象的主要原因是因为新型的冲程发动机，这种发动机在工作中可以将曲轴系统中的干扰力矩进行主要力的作用，将干扰力矩中的爆发力与惯性力进行针对应作用。在对于发动机发火顺序改变的过程中，曲轴系统中的扭振的主要扭转力矩与强扭转力矩都没有发生明显上的变化。在这种情况下可以得出，发动机的发火顺序与曲轴系统中的扭振响应间并没有较为清晰的关系［4］。

4 结论

本文对于影响曲轴系统的主要原因进行了简单的分析，在曲轴实际运行中的特征与影响的基础上面提出几点可以进行参考的研究方式，同时参考的手段进行了计算，进而发现主要影响与控制曲轴的因素。曲轴系统作为发动机主要的工作零件，在进行工作中一定会产生噪音。但是随着我国对于汽车发动机的要求就加严苛，对于发动机曲轴系统研究就越加重要。国内与国外相比研究程度较弱，主要研究方向还是在计算与试验阶段，本文利用了计算机技术，就是希望对于我国的曲轴系统进行一定的研究。

参考文献：

［1］陈超.发动机曲轴系统扭转振动计算方法及优化控制［J］.机械传动,2012（02）：53-56.

［2］上官文斌,陈超,段小成,谌宝军.发动机曲轴系统扭转振动建模与实测分析［J］.振动.测试与诊断,2012（04）：560-567+686.

［3］于学华.发动机曲轴系统扭转振动分析［J］.汽车技术,2008（03）：15-18.

［4］于学华,张家栋.发动机曲轴系统扭转振动分析［J］.噪声与振动控制,2008（04）：60-64.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.044

作者简介：唐明（1987-），男，河北保定人，研究方向：汽车零部件设计开发。