发动机曲轴系扭振分析

许涛，阮仁宇

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)



发动机曲轴系扭振分析

许涛，阮仁宇

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)

采用EXCITE软件，对某汽油机的曲轴系进行了扭振分析，首先进行了减震皮带轮的频率选定，然后针对选定频率的曲轴系进行扭振分析，分别计算了转速波动、耗散功以及扭振角。计算结果显示：以上指标均在可接受的范围内，满足使用要求。

发动机；曲轴系；扭振分析

0　引言

发动机曲轴系包括曲轴以及与曲轴相连的各运动件(如飞轮、减震皮带轮等)，曲轴系是发动机最为关键的零部件，其作用是把活塞、连杆传来的气体力转化成力矩，用来驱动汽车的传动系统、发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴系是一个弹性体，存在一系列的扭振固有频率，在发动机运行过程中，曲轴系将产生明显的扭转振动。而这个扭转振动是发动机上危害最大的振动问题，不仅消耗发动机的有用功，严重时甚至会导致曲轴断裂。因此，在设计开发时必须对曲轴的扭振情况进行分析。

借助于EXCITE软件，以某四缸汽油机为研究对象，对其曲轴系进行扭振分析，优选皮带轮的固有频率，评价曲轴系的扭振特性，为曲轴系的设计提供理论参考。

1　计算模型

1.1主要参数

发动机的主要参数如表1所示。

计算用的爆发压力(额定工况)来源于热力学的计算结果，如图1所示。

表1　发动机主要参数

1.2建立计算模型

在EXCITE中搭建曲轴系的等效计算模型，如图2所示，定义好各个部件的设计参数、润滑油特性、仿真控制参数，接下来就可以进行计算。其中曲轴使用Shaftmodeler模块和Autoshaft模块完成，连杆使用ConrodModeler完成。

2　结果分析

2.1皮带轮优选

由于曲轴是一个柔性轴，以及爆发压力的变动幅度很大，曲轴系在运转过程中会产生扭转振动，这对曲轴的寿命和发动机的工作稳定性都有影响。减振皮带轮能够消减曲轴系的扭振，其主要控制因素是皮带轮的惯量和频率。该项目皮带轮的结构已经确定，即惯量确定，通过测量，惯量为0.006 27kg·m2，其频率可以通过调整橡胶的配方来调节。频率与扭转刚度一一对应，在扭振分析中则使用刚度来计算。

图3和图4是皮带轮的优选图，分别表示了匹配皮带轮后系统的扭振幅度和内应力。从图3可以看到：扭转刚度为28 000～36 000N·m/rad时，系统扭振角较小；而从图4可以看到：扭转刚度为23 000～32 000N·m/rad时，系统内应力较小。为了保证系统扭振角和内应力都保持在较低的水平，则扭转刚度选取为28 000～32 000N·m/rad较为合理，其对应的频率范围为340～360Hz，中心频率为350Hz，因此选定皮带轮频率值为350Hz。

2.2扭振计算

通过前面确定的皮带轮频率，下面将对匹配350Hz皮带轮的曲轴系进行更为详细的曲轴系扭振计算。扭振计算的主要计算项目有：飞轮转速波动、皮带轮耗散功以及曲轴扭振角。

(1)转速波动

转速波动是反映曲轴系工作过程中，由于缸内压力的变化，曲轴转速的变化率。它是由发动机持续点火的运行机制导致的转速不稳定，反映了运转的平顺性，转速波动过大则会导致发动机传输扭矩波动大，从而引起整机较大的振动。一般要求在1 500r/min时转速波动小于0.125。

转速波动计算结果如图5所示，可以看到：在1 500r/min时转速波动为0.072，小于0.125的评价标准，满足要求。

(2)耗散功

耗散功是反映曲轴系运转过程中内部能量的损耗，如果耗散功太大就可能使减振器发热量过大，引起橡胶老化，降低减振器寿命，同时也会使得减振器性能变化较大，进而影响发动机性能。耗散功的评价标准为小于200W。

耗散功计算结果如图6所示。可以看出:该曲轴系耗散功较小，最大也不超过100W，明显小于200W的评价标准，满足要求。

(3)扭振角

扭振角是曲轴前后端的相对角度变化量，它对曲轴的强度和乘坐舒适性都有一定的影响，是曲轴扭振计算的一个重要指标。在发动机最大转速范围内，所有谐次激励导致的单阶扭转最大角度应低于一定水平，且各谐次的合成扭转角度也需要低于一定的限值。

评价扭振行为标准如下：①在发动机转速范围内，曲轴前端单阶最大扭转角度应小于0.2°；②在发动机转速范围内，曲轴前端合成最大扭转角度应小于0.5°。

曲轴扭振角如图7所示。二阶扭转角是由滚振引起，因此二阶扭转角一般不考虑，而合成扭转角也要剔除二阶的影响。为方便图示表达清楚，仅选取单阶扭转角、合成扭转角以及数值较大的4.5阶扭转角进行表示，其余阶次，由于扭转角结果较小，均不在图中表示出来。从图7可以看到:曲轴系的单阶扭振角小于0.12°，而合成扭振角小于0.31°，均明显小于限值，扭振角满足要求。

3　结论

采用EXCITE对某汽油机的曲轴系进行了扭振分析，通过计算得到以下结论：

(1)优选350Hz的皮带轮，此时系统的扭振角以及内应力均处于较低的水平。

(2)曲轴系扭振特性处于良好的水平，曲轴在1 500r/min时转速波动为0.072，耗散功不超过100W，同时曲轴系的单阶扭振角小于0.12°，而合成扭振角小于0.31°，均在评价限值的范围内，说明该曲轴系设计合理，能够满足使用需求。

【1】陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2003.

【2】郑久林，朱凌云，路明.基于动力学的某柴油机曲轴系扭振分析[J].内燃机，2012(4):23-24.

ZHENGJiulin,ZHULingyun,LUMing.AnalysisofaDieselCrankshaftAssemblyTorsionalVibrationBasedonDynamics[J].InternalCombustionEngines，2012(4):23-24.

TorsionalVibrationAnalysisforaCertainEngineCrankshaftAssembly

XUTao,RUANRenyu

(Research&DevelopmentCenter,AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230601,China)

AtorsionalvibrationanalysisforacertainenginecrankshaftassemblywascarriedoutbyusingEXCITEsoftware.Thesuitablefrequencyoftorsionalvibrationdamperwaschosen.Thenthetorsionalbehaviorofthecrankshaftassemblywithoptimaltorsionalvibrationdamperwassimulated.Cyclicspeedirregularity,dissipatedpowerandangulardisplacementwerecalculated.Theresultsshowthatthethreeindexesareacceptedandmetrequirement.

Engine;Crankshaftassembly;Torsionalvibrationanalysis

2016-04-21

许涛(1978—),男，工程师，主要从事发动机设计及CAE分析工作。E-mail:heavengoal@163.com。

U464

A

1674-1986(2016)07-056-03