发动机扭转减振皮带轮的匹配试验研究

陈小强

摘要：对某四缸汽油机进行不同频率的皮带轮匹配台架试验测试，在发动机全负荷加速工况下采集曲轴转速信号并进行扭振分析，结果表明频率为340Hz扭转减振皮带轮满足对单谐阶扭转角位移和各谐阶扭转角位移之和的设计要求，且能有效衰减曲轴扭振，因此确定该发动机匹配340Hz频率的扭转减振皮带轮。

关键词：皮带轮;扭振;频率;角位移

中图分类号：U464.133.3                                 文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）22-0011-03

0  引言

发动机曲轴承受着气缸内混合气燃烧压力和运动部件的惯性力，这些作用力是周期性变化的载荷。作为一个具有惯性质量的弹性系统，曲轴在周期性变化的转矩作用下，各轴段间必然会发生周期性扭转振动[1]。近几年随着发动机逐渐朝小型化和高功率的方向发展，扭转振动则进一步加剧[2]，尤其是在某一转速下当强迫扭振频率和曲轴系自身固有频率相当时，扭振振幅明显增大，从而产生曲轴共振[3]。共振现象对发动机工作影响很大，轻则前端轮系噪声增大，机体振动增加，影响整车舒适性，重则曲轴断裂，发生安全事故。

目前车用汽油机改善扭振常用方法是在曲轴前端安装扭转减振皮带轮，其工作原理是通过皮带轮中的橡胶阻尼来吸收曲轴的扭振能量从而降低振动噪声[4]，因此汽油机曲轴皮带轮的匹配设计十分重要。

本文基于已有仿真计算结果，利用LMS测试设备，对不同频率的扭转减振皮带轮进行台架测试，通过扭振特性分析，为发动机匹配最佳频率的减振皮带轮。

1  试验测试

扭转减振皮带轮由轮毂、橡胶层和惯量环三部分构成，其中惯量环转动惯量和皮带轮频率会影响扭振幅值。根据发动机结构设计要求，皮带轮的转动惯量保持不变，只改变皮带轮频率，以测试发动机匹配不同频率皮带轮时对扭振的控制效果，皮带轮频率的调节一般通过改变橡胶参数来实现。经前期仿真分析和厂家试制，本次试验的四个皮带轮设计参数见表1。

测试所用为某直列四缸1.5T增压汽油机，AVL发动机台架测试系统，发动机飞轮侧与测功机输入轴进行固定连接。数据采集为西门子LMS测试设备，通过编码器采集皮带轮轮毂的转速信号，编码器每转输出600个脉冲信号。编码器通过工装固定安装在发动机前端，同时保证其与发动机曲轴同轴，测试安装如图1所示。

测试工况为发动机全负荷匀加速1000-5500rpm，数据采集前，应起动发动机进行热机，确保发动机冷却液温度、机油温度等达到规定范围值，然后再进行试验。

试验过程中，LMS测试系统将编码器采集的转速脉冲信号计算成角速度信号，然后再对其积分计算成角位移，最后测试系统通过傅里叶变换将时域角位移信号转换成频域角位移，从而得到不同谐阶的扭转角位移振幅随转速变化的结果。

2  数据分析

将测试数据在LMS Test.Lab软件中分析计算。由于本次试验对象为四缸发动机，在一个工作循环中曲轴旋转两圈，发动机点火四次，因此发动机的主要谐阶为2、4、6、8等谐阶。但发动机2谐阶扭转角位移受滚振影响较大，而滚振一般称为零节点振动，其特征为振动角位移振幅与发动机转速的平方成反比，一般在发动机低转速区域扭振幅值较大，随着转速的升高振动幅值逐渐减小，所以在扭振分析时应剔除2谐阶的数据，其次10谐阶以上扭转角位移较小可忽略不计，因此本文主要分析4、6、8、10各谐阶扭转角位移。

根据工程经验，一般要求在发动机额定转速范围内，皮带轮的单谐阶扭转角位移最大值小于0.1°，且各谐阶扭转角位移之和最大值小于0.2°，则认为发动机的扭振可接受，皮带轮的匹配效果较好。

2.1 单谐阶测试结果

从图2-图5可以看出在发动机低转速段，所有皮带轮的4谐阶扭转角位移均较大，这是由于在低转速段受到曲轴滚振的影響，因此在数据分析时应忽略4谐阶低转速段的测试结果。皮带轮4、6、8和10各谐阶扭转角位移最大值及对应转速如表2所示。

从表2中可以看出1#皮带轮6谐阶、2#皮带轮4谐阶和4#皮带轮4谐阶的扭转角位移最大值均超过0.1°，不满足对曲轴扭振衰减的设计要求。3#皮带轮各谐阶扭转角位移最大值都小于0.1°，其中最大为4谐阶0.093°，发动机转速为4883rpm，避开了发动机常用工作转速范围，满足对皮带轮扭振单谐阶的设计要求。

2.2 各谐阶扭转角之和

3  总结

①对四种不同频率皮带轮的4、6、8和10谐阶进行扭振分析，340Hz频率的皮带轮各单谐阶扭转角幅值小于0.1°，满足设计要求。②331Hz和340Hz频率皮带轮各谐阶扭转角之和小于0.2°，满足设计要求。③综合分析，选择340Hz频率皮带轮作为最佳匹配结果，且能对发动机扭振有很好衰减效果。

参考文献：

[1]李亚男.曲轴扭振对发动机整机噪声性能影响的研究[D].浙江大学，2017.

[2]张栋，张良良，高文志，等.2.8T柴油机轴系扭振特性测试与分析[J].机械设计，2014，31（11）：73-74.

[3]李静，王东方，缪小冬，等.发动机曲轴扭振仿真分析与研究[J].机械设计与制造工程，2017，46（5）：41.

[4]王国峰.汽车发动机曲轴扭振减振器设计[J].内燃机与配件，2019（13）：31-32.