发动机扭振试验有效性研究

裴伟， 康佐明， 张冬梅， 张晖， 张探军， 李宁， 张兴刚， 范育辉， 高英英

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



发动机扭振试验有效性研究

裴伟， 康佐明， 张冬梅， 张晖， 张探军， 李宁， 张兴刚， 范育辉， 高英英

(中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

分别采用两种联轴器和两套支撑系统进行了发动机扭振试验。试验结果表明，台架支撑系统和联轴器会对发动机扭振试验结果产生很大影响。通过理论分析发现，发动机采用不同支撑系统时，传感器支架振动也会不同，从而造成扭振试验结果存在差异。利用某发动机扭振仿真模型，提取影响系统扭振的因子，并进行敏感度分析，发现联轴器主动端惯量是影响发动机扭振综合幅值的主要参数。为保证扭振试验有效性，建议应根据不同试验目的，采用不同试验设计方案。

发动机； 支撑系统； 联轴系统； 扭振试验； 有效性

扭振是造成发动机试验台架连接轴异响、发动机或测功机损坏、传动系统破坏等问题的主要因素之一[1]，扭振一旦超过允许限值，将造成无法修复的损坏，因此发动机扭振试验越来越受到广大发动机研发机构的重视。扭振的出现不仅仅是某一个部件的问题，还与整个发动机台架系统息息相关[2-4]，因此，一旦发生扭振问题，原因排除和故障鉴别比较困难。所以，对发动机试验台架进行扭转振动的分析和测量，深入认识、掌握发动机试验台架扭振性质和特点，对确保发动机扭振试验有效性具有较大意义[2]。

扭振试验由德国人盖格尔(Geiger)提出，到20世纪70年代基本上还以他提出的机械式扭振测试方法为主。随着电子技术的发展，逐渐出现了非接触式扭振测试装置，基于数字信号处理技术的数字式扭转振动测量仪于20世纪90年代开始出现。现阶段国内外对发动机扭振试验的研究主要集中在扭振计算方法、测试装置设计、传感器的安装、信号处理方法、数据后处理方法等方面[5-8]。而国内发动机扭振试验标准并不全面，多适用于船机和发电机组，尚无车用发动机扭振试验标准，且未包含对发动机台架系统的约束，因此，试验中常出现同一发动机在不同试验室进行扭振试验时试验结果差异较大，或试验结果与仿真结果差异较大等问题。

本研究主要从发动机台架支撑和联轴两个方面进行研究，提出了一些关于确保发动机扭振试验有效性的建议。

1 试验分析

典型发动机试验台架联轴系统包括发动机、联轴器和测功机，而对于一个发动机扭振试验来说，发动机是被测件，因此本研究的联轴系统主要为联轴器和测功机。发动机支撑系统包括地基板、大支架和小支架，由于支撑系统均为刚性连接，因此可以看作一个整体进行分析。根据支撑形式的不同分为弹性支撑和刚性支撑。台架组成见图1。

图1 发动机试验台架组成

试验发动机为某型号直列4缸发动机，分别采用刚性支撑系统、弹性支撑系统和两个型号的联轴器开展扭振试验。台架组成与图1相同，并在发动机自由端采用磁电传感器进行扭振测量，试验测试设备为LMS Test.Lab 6A，测量的频率范围为2～1 024 Hz，允许误差为指示值的±5%，最大可调量程为±10°。由图2至图5可知，发动机自由端扭振综合幅值均未超过0.4°，满足发动机设计要求，其中采用联轴器B时，1 900 r/min时扭振幅值出现大幅波动，这是由0.5谐次共振引起的，但扭振综合幅值未超过发动机设计要求，不影响使用。

图2 刚性支撑系统下联轴器对扭振幅值的影响

图3 弹性支撑系统下联轴器对扭振幅值的影响

图4 联轴器A下支撑形式对扭振幅值的影响

图5 联轴器B下支撑形式对扭振幅值的影响

通过试验发现，采用同一种刚性支撑时，不同联轴器试验结果偏差最大可达到21.85%，采用同一种弹性支撑时，不同联轴器试验结果偏差最大可达到29.2%，证明联轴器选型对扭振综合幅值影响很大。

采用联轴器A时，不同支撑形式下试验结果偏差最大可达到7.6%，采用联轴器B时，不同支撑形式下试验结果偏差最大可达到20.91%，说明支撑形式也会影响扭振试验结果。

通过上述分析可知，不同的联轴器和支撑形式都会对扭转振动产生影响，而且影响程度不一样，因此在开展扭转振动试验前，必须综合考虑支撑系统和联轴系统两种因素，否则将影响扭振试验的有效性。

由此证明，发动机扭振试验与常规性能试验相比，对支撑系统和联轴系统的设计要求都较高，必须经过详细的设计才能满足试验有效性要求。为了更深一步剖析该问题产生的原因，还需要对支撑联轴系统进行必要的影响因素分解和机理分析。

2 影响因素机理分析

2.1 发动机台架支撑系统对扭振试验结果的影响

支撑系统在发动机扭振仿真中是不参与计算的，因此往往会忽略该影响因素，但从试验分析结果中可以看出其影响也很大，对于该问题的分析，需要首先了解扭振的测试原理[9-11]。

发动机扭振测试常用磁电传感器采集发动机轴系瞬时转速信号，信号齿盘随发动机曲轴旋转时，传感器前端与齿盘之间的间隙随齿顶和齿底的交替而交替变化，使得通过线圈的磁通量交替变化，产生感应电动势，即输出信号。感应电动势与磁通量成正比关系，根据法拉弟电磁感应定律，当线圈圈数为N时，感应电动势的表达式为

(1)

若信号齿盘齿数为Z，发动机转速为n，信号齿盘旋转从齿顶到齿底相当于半个周期，因此Δt为

(2)

根据欧姆定律，半个周期的磁通量变化Δφ为

(3)

式中，传感器的磁动势Fm为固定值，齿顶的磁阻Rm齿顶约为齿顶与传感器前端间隙为δ时的空气磁阻，齿底的磁阻Rm齿底约为间隙δ与齿高h的磁阻之和。磁阻Rm表达式为

(4)

式中：μ为磁导率；S为磁路界面积。

(5)

由式(5)分析可知，间隙δ、齿高h和齿盘齿数Z3个参数均对输出信号产生影响，而齿高h和齿盘齿数Z主要是受信号齿盘加工精度的影响，间隙δ除受安装精度影响外，还与传感器支架的振动相关。由于不同发动机支撑系统因为刚度不同会引起发动机的振动发生变化，而传感器支架也随发动机发生振动变化，从而影响齿顶与传感器前端间隙。而根据国标规定的发动机振动测量评级方法，带弹性支撑的发动机振动分级高于带刚性支撑的发动机，因此弹性支撑发动机振动烈度高于刚性支撑发动机，这是发动机采用弹性支撑比刚性支撑影响程度大的主要原因。

此外，齿盘的齿数、齿高、齿盘加工精度和安装精度等也是影响扭振测量结果的主要原因[12-15]，这些影响因素本研究不再进行详细介绍，但这些因素同样是发动机设计人员和试验人员在开展发动机扭振试验时必须考虑的问题。

2.2 发动机台架联轴系统对扭振试验结果的影响

联轴系统包括联轴器和测功机，由试验结果可知，联轴器的选择是影响发动机扭振试验结果的重要因素之一。联轴器具有缓冲和吸振性能，主要与其刚度和阻尼有关，选择合适的联轴器可以有效改善联轴系统的固有频率，是发动机试验台架联轴系统匹配避免系统共振的主要方法[3]。由于发动机试验很难将联轴系统每个影响因素进行分解验证，本研究采用仿真分析的方法，利用标定后的模型对影响因子进行分析。图6示出试验用发动机和联轴器A的台架轴系当量系统模型。

根据图6所示的扭振仿真模型，对台架联轴系统的联轴器和测功机进行进一步的因子分解，包括测功机惯量、联轴器主动端惯量、联轴器从动端惯量、联轴器扭转刚度、联轴器阻尼。

1—皮带轮； 2—曲轴前齿轮； 3—第一缸； 4—第二缸； 5—第三缸； 6—第四缸； 7—飞轮； 8—联轴器主动端； 9—联轴器从动端； 10—测功机图6 某4缸发动机台架轴系当量系统模型

利用已知试验结果对仿真模型进行标定。如图7所示，仿真结果与试验结果趋势一致，最大偏差15.91%，满足CB/Z 214—85标准中规定的扭振计算结果与实测值的误差不大于20%的要求，因此，该扭振仿真模型可以作为下一步因子分解和敏感度分析的依据。

图7 某4缸发动机台架扭振仿真与试验结果对比

为了分析每个影响因子的敏感度，利用标定过的仿真模型，分别在其他影响因子不变的情况下每个因子减少50%，观察扭振综合幅值的变化a。再计算5个影响因子均减小50%后的扭振综合幅值A，取每个因子变化50%后与它的比值进行敏感度γ分析，即γ=a/A。分析结果见表1。

表1 联轴系统影响因子敏感度分析

由上表可知，影响程度最大的因子是联轴器主动端惯量，其次为联轴器扭转刚度，但两者的作用是相反的，其他因子影响相对较小。该结论说明，可以在不同的试验室(测功机不同)开展发动机扭振试验，但必须保证联轴器主动端惯量一致，从而确保扭振试验的有效性。

3 确保发动机扭振试验有效性的建议

对扭振试验结果有直接影响的测量系统设计、信号齿盘加工精度、齿盘齿数的选择以及安装要求等因素已经在相关标准中有了一定的规定，或已得到广大试验人员的高度重视。但对于支撑系统和联轴系统的影响仍认识不够，因此，依据前文的分析主要从支撑系统和联轴系统两个方面提出以下建议。

试验是否有效与试验的目的密切相关，因此确保发动机扭振试验有效除了满足标准的要求，还要符合试验的目的。

如果发动机扭振试验的目的是标定仿真模型，则在试验设计时，建议使用刚性支撑系统，并在试验前与设计仿真人员进行沟通，提供准确的联轴器、测功机等技术参数，值得注意的是，还要提供发动机连接盘的转动惯量，因为在台架安装联轴器时，往往会通过连接盘将联轴器与发动机飞轮连接，连接盘的惯量同样是不可忽略的因素，因为它会增加联轴器主动端的惯量，从而影响扭振仿真的精度。

如果发动机扭振试验的目的是用于发动机鉴定，为确保发动机扭振试验的有效性，应充分考虑该发动机未来所使用的载体(车辆、船舶等)。因为扭振问题的出现往往与发动机整个传动系统相关，发动机载体不同则传动系统会有很大的差异，发动机台架系统的设计会直接影响试验的有效性。就支撑系统方面，应尽量采用与发动机所用载体相同的支撑形式，如采用相同的弹性支撑、采用相同的支撑位置。不能为了确保扭振结果的指标而降低条件。对于联轴系统来说，联轴器主动端惯量对扭振试验结果影响最大，结合文献[3]中对于车辆传动系统试验的结论——“通过液力变矩器后，扭转振动的幅值可降低50%”，建议在发动机台架上利用联轴器主动端惯量和联轴器扭转刚度两个参数，模拟车辆传动系统液力变矩器前端的当量，在发动机台架上实现对整车传动系统强迫扭振的模拟，减少发动机后期试验量，在设计研发阶段及早发现问题，提高发动机的可靠性。

若未来所使用的载体不明确，可以在发动机设计阶段提供足够的裕度，并将该裕度提供给用户方。而在发动机试验台架上，应选择最恶劣的条件进行扭振试验，如弹性支撑和高低两种极限转动惯量的联轴器，便于提早发现发动机可能出现的故障和获取该发动机的可用裕度。

综上所述，为确保发动机扭振试验的有效性，建议发动机设计人员在编制任务书时应准确描述发动机扭振试验的目的，提供准确的发动机当量系统模型，或对联轴器主动端的惯量和支撑形式提出约束，以便于试验人员进行试验设计。对于试验人员，应提供准确的联轴系统设计参数，包括联轴器、连接盘、测功机和支撑系统等，以便于设计人员进行设计校核和修正。

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[编辑： 潘丽丽]

Effectiveness of Engine Torsional Vibration Test

PEI Wei， KANG Zuoming， ZHANG Dongmei， ZHANG Hui， ZHANG Tanjun，LI Ning， ZHANG Xinggang， FAN Yuhui， GAO Yingying

(China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

Engine torsional vibration tests were conducted by using two kinds of supporting systems and coupling systems. The results showed that the supporting system and coupling had a significant influence on test results. According to the theoretical analysis，the vibration of sensor bracket for different supporting system was also different, which led to the difference between test results. With the simulation model of the engine torsional vibration, the torsional factor was extracted and its sensitivity was analyzed. It was found in the end that the inertia of coupling active end was the main influencing parameter of comprehensive torsion amplitude. Accordingly, it was proposed that different test designs should be used to guarantee torsional test effectiveness according to different test purposes.

engine; supporting system; coupling system; torsional vibration test; effectiveness

2015-04-25；

2015-11-13

裴伟(1981—)，男，助理研究员，主要从事车用发动机试验测试技术研究；moderatepw@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.015

TK427.11

B

1001-2222(2016)01-0078-05