发动机扭转振动试验研究

程勉宏 龚鹏 李播博

摘 要：曲轴的扭转振动是影响发动机安全运行的重要因素之一 因此曲轴扭转振动是发动机研发过程要解决的重要课题。文章以两款不同的直列四缸发动机为研究对象 用测速齿盘作为发动机扭转振动的测量信号齿盘 介绍了测试齿盘的测试方法 并在发动机台架上进行发动机扭振试验测试 为发动机性能改善提供帮助。

关键词：扭转振动;测速齿盘;试验研究

中图分类号：U467.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）18-108-03

Abstract： The torsional vibration of crankshaft is one of the main factors promising the safe operation of engine， therefore the torsional vibration of crankshaft is the key issue during the R&D process of engine. In this paper， the torsional vibration of crankshaft in two different inline four-cylinder engines was studied experimentally. A speed measuring tooth disc was employed as the signal disc during the experimental test for the torsional vibration of the engine. The test procedure was introduced and the bench tests of torsional vibration were carried out for both engines. The results could provide some guidance for engine performance improvement.

Keywords： Torsional vibration; Speed measuring tooth disc; Experimental research

CLC NO.： U467.2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）18-108-03

1 前言

随着社会的发展 人们对汽车乘座的舒适性要求越来越高，有关汽车发动机的噪声、振动和行驶平顺性（NVH）的研究愈来愈受到人们的重视 发动机曲轴系的扭转振动是汽车发动机NVH分析的重要组成部分。严重的扭振会使曲轴断裂或连杆、活塞等相关零件损坏 也严重影响到整车传动系的稳定性。因此系统设计完成后需对发动机扭转振动进行测试 以评价其扭振的性能 常用的方法是在轴上安装等分结构（如齿盘）进行非接触式测量。

2 曲轴扭振的产生

在发动机的使用过程中 有时会发现当发动机达到某一转速时会产生剧烈的振动 其性能指标也就变差了 如果继续在这一转速下工作就有可能发生曲轴断裂、连杆、活塞等零件损坏、正时齿轮打齿等一系列恶性事故 但当提高或者降低发动机的工作转速 这一现象将逐渐减弱并消失 发动机重新恢复正常工作状态 产生这种现象的主要原因是发动机的曲轴在使用的过程中发生了大幅度的扭转振动 简称扭振。

当外界扭转力矩的频率与曲轴的共振频率相同时 曲轴的扭转变形幅度将大大超过正常值 这种共振现象是我们不希望发生的。对于四冲程发动机工作时曲轴扭矩M数学公式可表达为：

式中：M0为单缸四冲程发动机的平均扭矩;为扭矩Mg的第k阶简谐分量;ω为工作过程周期变化的园频率 ω=2π/T;T为工作过程完成一个循环的周期;δk为第k阶谐量的初相位。

由式（1）可以看出 曲轴上除了作用着一个真正用来驱动曲轴旋转的平均力矩M0之外 还作用着多个简谐力矩 它们对曲轴的旋转起到干扰作用。当发动机达到一定转速 施加在曲轴上的周期性变化的某一阶简谐力矩与曲轴本身的扭转振动的固有频率相同时 曲轴就会产生共振现象 此时发动机的转速叫做发动机的临界转速 发动机应严禁长时间在此转速下工作。

3 曲轴扭振的测试

3.1 扭振测试分析

扭振测试是在测试系统中采集的一系列转速脉冲信号计算出轴的瞬时转速 并由此计算出扭振的角度。

实际测试中 扭振可以用角位移、角速度和速度描述 利用安装在轴上的测速齿盘进行扭振测量时 实质为测量相邻两齿间的平均角速度：

式中 θ0为齿盘两齿间的角度 θ0=2π/n;n为齿数;△ti为相邻两齿同一位置转过磁电传感器的时间差 △ti = tn+1 -tn。

3.2 测试系统安装

在扭转振动测试试验中 测速齿盘的安装精度直接影响试验的测试结果 安装时要注意测速齿盘和减震皮带轮之间保持一定的间隙 并保证同心。安装简图如图1所示。

实际测试中 设曲轴旋转以o2为圆心 测速齿盘旋转以o1为圓心 为了保证测试精度 要求安装时两个圆心一定同心。若在测速齿盘偏心状态下 即使曲轴没有发生扭振 在传感器上会得到伪扭振值。伪扭振信号会对发动机的真实的激励信号产生的扭振信号产生影响 导致试验结果的不真实。

3.3 测试内容

通过以上理论分析 对2款四冲程发动机在试验台架上进行了扭振测试 试验仪器和设备主要包括：转速信号拾取系统（测速齿盘和磁电式测速传感器） Lms瞬态噪声振动测量系统 装有QTV板的SCADASⅢ采集前端和计算机。

在发动机试验台架上 测量发动机曲轴前端（皮带轮）处的扭转振动角度。试验工况为节气门全开、发动机转速从1000r/min开始均匀加速到额定转速。得到曲轴前端扭转振动角度随发动机转速和振动频率的变化关系。

3.4 试验方法

（1）预热 使水温达到工作温度 机油温度85℃±5℃。

（2）起动采集前端和计算机 检查系统是否连接好。

（3）设定测量采样参数。

（4）将发动机调到1000rpm 起动QTV测量 将转速从1000rpm缓慢调到5500rpm 完成自动测量。

（5）关闭发动机 进行数据处理。

4 试验结果分析

在测试中保持A、B两款发动机转速匀速变化 得到以频率和发动机转速为x、y坐标 以扭转角度为z坐标的瀑布图如图2、图3所示。

（1）转速-频率瀑布图上可以看出 A、B两款发动机的最大角振动幅值出现第1阶、第2阶谐量 以第2阶谐量为最大 最大值出现在低速低频区。

（2）把两个瀑布图沿斜线切开 得到扭振角度在发动机工作转速范围内的谐次振动曲线 如图4、图5所示 可以看出两款发动机第2阶谐量振动都是在1000r/min时最高 随着转速的增高而迅速下降。在2000r/min附近达到基本稳定 在2000r/min以上范围内维持比较小的振动。

（3）在A款发动机的瀑布图上可以看出 该发动机在290-360HZ间发生共振。这也导致A款发动机的扭振情况较B款发动机的强烈。

5 结论

以等分测试齿盘为发动机扭振测试的信号测量齿盘 在保证安装精度的情况下 对2款四冲程发动机进行了测试分析 测试结果可以为正在研发的发动机性能改善提供指导和帮助。

参考文献

[1] 周保龙.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 袁兆成.内燃机设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 邱群虎，闫兵，测量齿盘齿数对扭振测量精度影响的研究[J].车用发动机，2007，5（171）：70-72.