论文：eq6102发动机曲轴的扭振计算

湖北汽车工业学院HUBEI UNIVERSITY OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY毕 业 设 计 论 文题目 EQ6102 发动 机曲轴的扭振计算班号 T843-6 专业 热能与动力工程 学号 20080430628学生姓名 范声武 指导教师 黄流军汽车工程系湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文II摘要随着人们生活水平的提高，对交通工具的要求已经由原来的快捷性第一转化成舒适性第一，这就对内燃机行业的减振降噪提出了更高的要求。人们对振动噪声控制的要求日益严格，促使人们对内燃机振动问题的研究给予更多的关注。为了适应这种矛盾和市场商品的激烈竞争，近年来国内外对内燃机振动控制进行了大量分析和研究工作。本文介绍了AVL 公司开发的发动机模拟软件Excite-Designer的功能和特点。利用该软件建立了曲轴扭振计算的仿真模型，在Excite PowerUnit模块中对曲轴进行了模态分析，在Excite-Designer模块中对曲轴进行了扭振计算。最后基于该软件对轴系进行了扭振与减振分析, 并提出了相应的减振措施。关键词: 内燃机；模拟软件；曲轴；扭转振动；减振措施湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IIIAbstractwith the improvement inthe standard of peoples living, the cosiness of the vehicle has replaced the celerity and becomes the first need. It requests more on how to reduce the total noise and vibration for the internal combustion engine. people are increasingly stringent to the control requirements of noise and vibration, it will encourage people to pay more attention to the internal combustion engine vibration problem In order to adapt to this contradiction and the fierce competition of market goods, in recent years, mang domestic and foreign experts do some analysis and research work about the control of the internal combustion engine vibration.This paper introduces the function and characteristics of the EXCITE- designer software developed by AVL Corporation. Using the software establishes the crankshaft vibration calculation simulation model, In Excite PowerUnit module the modal analysis of the crankshaft has been done and in Excite-Designer module the torsional vibration of the crankshaft has been done .The torsional vibration of crankshaft system was analyzed finally by this engine simulation software. The vibration reducing measures were brought forward.Key words: IC engine; simulation software; crankshaft; torsional vibration; vibration reducing measure 湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IV目录摘要 .IIAbstract III1 绪 论 11.1 课题的提出及意义 11.2 汽车发动机曲轴系扭转振动的研究现状 21.2.1 模拟分析研究 21.2.2 试验研究 42 模型的建立 .52.1 在 Excite PowerUnit 模块中仿真模型的建立 .6图 2-1-1 Excite PowerUnit 模块中的仿真模型 .62.1.1 仿真控制参数选择的输入 72.1.2 连杆轴承的参数输入 82.1.3 主轴承的参数输入 82.1.4 止推轴承的参数输入 92.1.5 连杆的参数输入 .102.1.6 活塞的参数输入 .112.1.7 曲轴的参数输入 .112.2 曲轴的模态分析 .162.2.1 曲轴的七阶模态仿真图 .162.2.2 曲轴的八阶模态仿真图 .172.3 在 Excite-Designer 模块中仿真模型的建立 .172.3.1 全局数据的输入 .182.3.2 仿真控制参数选择的输入 .212.3.3 活塞的参数输入 .232.3.4 连杆的参数输入 .23湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文V2.3.5 活塞销的参数输入 .242.3.6 仿真结果的控制 .263 曲轴扭振结果分析 273.1 当量扭振系统图 .273.2 各元件的转动惯量和扭转刚度 .273.3 各阶扭振模态 .283.4 固有频率与发动机转速的简谐关系曲线（即临界转速图） .293.5 转矩振幅幅值随阶数变化的直方图（发动机转速为 1000rpm 时） .293.6 减振器损耗功率和等效阻尼 .303.7 减振环扭转位移 .323.8 减振环振动能量 .333.9 减振榖的扭转位移 .343.10 飞轮的扭转位移 353.11 主轴颈 1 的扭转位移 363.12 主轴颈 2，主轴颈 3 的扭转位移 373.13 速度的不均匀性 383.14 平均动力矩 393.15 曲柄销 1 的剪切应力 403.16 曲柄销 2 的剪切应力 413.17 主轴颈 1 在第 4 阶谐量时幅值与发动机转速的关系 423.18 曲柄 1 在第 1 阶谐量时扭振幅值与发动机转速的关系 424 减少曲轴扭振的措施 445 结论 46致谢 .47参考文献 .48湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文11 绪 论1.1 课题的提出及意义Excite-Designer 是AVL 公司开发的汽车、发动机系列模拟软件的一个模块 , 用于往复活塞式内燃机曲柄连杆机构的模拟计算, 既可以用于初期开发, 也可以对现生产机型进行校核, 改进设计。它具有易使用的友好界面、模块化及灵活的后处理功能, 能完成的计算任务包括: 曲轴扭振计算、曲轴强度计算、液体动力轴承计算, 据此进行曲轴优化设计。计算分析过程如图1所示：图1 Excite-Designer的计算任务和分析过程在实际使用过程中,人们经常会发现当车用发动机达到某一转速时,运转速度变得很不均匀,性能变坏。轻则产生大的噪声,使磨损加剧; 重则使曲轴断裂。其原因主要是由于曲轴发生了大幅度的扭转振动,即当轴系达到某一转速时施加在曲轴上的周期变化的扭矩与曲轴本身振动频率发生共振,此时会造成曲轴扭转变形大大超出正常值。因此,无论在设计改进还是在维修诊断分析中,必须对轴系的扭转振动特性进行计算分析,以确定其湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文2临界转速振型振幅所传应力,以及是否需要采用减振措施。当柴油机曲轴轴系内有零件出现扭转疲劳破坏时, 如曲轴扭断、凸轮轴、主轴瓦剥落烧损、正时齿轮、飞轮螺栓或其他附件的损坏, 应考虑对柴油机轴系进行扭转振动分析, 确定是否由于轴系扭振强度过大造成。因此，对曲轴进行扭振计算与分析具有一定的学术价值和实际意义。1.2 汽车发动机曲轴系扭转振动的研究现状1.2.1 模拟分析研究在早期的曲轴振动研究中，由于技术水平的限制，曲轴是按绝对刚性体来处理的。从 19 世纪末到 20 世纪初，各种关于断轴事故的分析报告和文章逐渐出现，人们对轴系的扭转振动的研究也逐渐深入。1916 年德国工程师盖格尔（Geiger）发表了用机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振动的文章后 1，轴系扭转振动的研究开始了实测和试验的阶段。1921 年德国学者霍尔兹（Holzer ）提出了用一种表格法（通称霍尔兹法）来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动的固有频率和振型，并可应用于强迫振动，后来的研究者如 Timoshenko、Tuplin 等相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法的基础上进一步发展了扭转振动分析的方法，将曲轴简化为质量圆盘系统，并采用等效当量阻尼，因而更接近于实际工况。60 年代，国外学者大量采用点传递矩阵和场传递矩阵的方法来研究曲轴的振动，通常称为传递矩阵法或 Myklestad-Prohol 法 2。70 年代，Doughty 等采用扩展了的传递矩阵（Extended Transfer Matrix）法来分析有阻尼的曲轴振动，并用Newton-Raphson 迭代法求解复数固有频率，在传递矩阵计算中，当轴系支撑过多、频率较高时，可以使用 Riccati 法来改善由于矩阵病态而可能发生的数值不稳定的现象 3。传递矩阵法的优点是矩阵的维数不随系统自由度的增加而增加,且各阶振型的计算方法完全相同。因而计算简单、编程方便，计算所需的内存少、耗用机时短，从而被广泛地应用于曲轴振动问题的分析与研究。但这种方法的不足之处是在分析自由度较多的复杂轴系时，由于传递矩阵误差的积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度较低 4。80 年代初期，日本学者提出了消阻法（Reduced Impedance Method）以及动态刚度矩阵法（Dynamic Stiffness Matrix）来分析离散或连续体曲轴的扭转振动 5 67。为湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文3了快速而准确的预测曲轴在周期运动中的扭转应力，Peter.J 等应用了模态分析技术。由于模态分析法减少了系统的自由度，所以计算所耗机时及内存均不太高，如果子系统划分得比较合理，那么其计算精度也是令人满意的。此外，模态分析法还可与试验研究相结合，通过实测轴系振动的传递函数，从而得到系统的振动模态参数(其中包括固有频率、振型、阻尼、模态惯量、模态刚度等)。80年代后期，随着计算机技术的飞速发展，各种有限元软件（如NASTRAN、ANSYS 等）的相继出现，用有限元的方法在曲轴动力学分析中得到了广泛的应用，这是目前公认的精度最高的计算方法。为了解决有限元分析计算精度可比性和计算成本等问题，Nadolsk 等将弹性波理论应用于曲轴轴系的振动问题分析，此方法是一种比较快速并且较精确的振动分析方法。近年来，对曲轴动力学特性分析的研究变得越来越广泛和深入。许多学者运用有限元法、试验方法和动力刚度矩阵方法研究了曲轴的振动特性以及曲轴振动与机体振动之间的关系。大众汽车公司在改European 1.9LTD（Iturbo dieselinjection）发动机的过程中广泛的使用了有限元方法来分析和设计曲轴。在此基础上 Athavale 等人采用集成参数的有限元方法做了进一步的探索。曲轴系零件之间的耦合作用通常是非线性的，这种耦合作用对于描述系统的动力学特性是非常重要的。多体系统模拟可用于研究这类问题，其中零件的结构刚度远大于零件之间的联接元件的刚度。考虑到曲轴的变形，含有柔性体的多体动力学综合了有限元方法与刚体动力学的优点，可以在零至数千赫兹范围内准确跟踪频率，并且能够灵活地改变外载荷、运动节点和约束条件等。Raub 等人运用了这种包含柔性体的多体系统动力学分析方法，得到的结果与实验数据非常的接近。美洲虎公司为其顶级轿车 XJ8 开发全新的 AJV8 发动机也采用了类似的技术。国内的研究相对于国外有一定的差距，最初的研究全部采用轴盘模型，该模型将曲轴系离散成为具有集中转动惯量的圆盘、无质量的弹性轴以及内部阻尼和外部阻尼 8。但是这种模型过于简化，计算精度不够高。90 年代初有限元法开始被应用到曲轴系的扭振分析中，随后得到了更为广泛的运用 9。近几年来，随着对曲轴系扭振分析的进一步深入，以北京理工大学的覃文洁老师和浙江大学的郝志勇老师等人为代表，已经开始将柔性多体动力学应用到曲轴系的扭振分析中 10 11。湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文41.2.2 试验研究曲轴系的扭振测量是曲轴扭振研究中的一项重要内容。与横向振动测量相比，扭振信号的提取和分析都相对比较困难。扭振测量技术随着传感器技术和电子技术的发展，已从机械式测量和模拟式测量发展到数字化测量。测量的方法日趋简单，测量的精度也越来越高。目前许多扭振仪，如 Geiger 扭振仪、电感式扭振仪等都是以附加 I-C 系统的测量理论为依据的，因而，无论是机械式还是电测式的测量系统，由于都是附加了一组测振系统，所以必然会对被测系统的参数产生影响，且测量精度也难以得到保证 12 13。与上述接触式扭振测量系统不同，非接触式扭振测量的测量装置不直接安装在曲轴系上，而是利用曲轴上的码盘、齿轮或其它的分度结构，通过光电、磁电转换来拾取扭振信号。采用非接触式扭振测量方法优点有测量精度较高，使用简单，反应速度较快，仪器本身对轴系振动几乎没有影响，特别适用于扭振的长期监测。目前已成为扭振测量的主要方法，属于此类测量方法的扭振仪有英国 Econocruise 公司的 TV-1 扭振仪、美国 Shaker 公司的 VED-233A 扭振仪、东南大学的 NZ-13、NZ-T 扭振仪等 14 15 。基于多普勒效应的激光测量系统是从流体速度的测量提出和发展起来的。1977年就有关于用多谱勒激光系统进行扭振测量的报导。这种装置的灵敏度可以达到0.01，频率范围为 010kHz 16。丹麦B&K 公司推出的2523扭振仪就是多普勒激光扭振仪的典型代表 17。 1994年天津大学的葛维晶老师等人已将激光多普勒测速技术用于内燃机轴系的扭振测量之中 18。扭振的激光多普勒测量只需轴上有一段光洁的表面就可实现非接触测量，测量点的选择比较方便，测量效率也比较高。湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文52 模型的建立由于实际的发动机轴系是一个复杂的弹性系统，而且种类繁多。当它们在周期性力矩的作用下产生扭转振动时，企图应用解析法如实的来描述，在以前是办不到的。如今在计算机技术高速时代的时代，复杂的描绘和分析虽然可以详尽得多，但是要完全如实的描述曲轴实际扭转振动的运动情况也是相当困难的。所以在处理发动机曲轴扭转振动的问题时，一般都是将复杂的实际系统转化成便于计算的假想的相对简化的模型，然后确定简化模型的当量参数。简化的力学模型要求与原发动机曲轴轴系动力学等效，即固有振动过程中两个系统的位能和动能应该对应相等，以保证两者自振频率和振型保持一致，然后通过对简化模型的扭转振动计算，从而来分析实际系统的扭转振动特性。通过分析曲轴的扭振特性，最终采取相应的减振措施，以保证发动机的正常工作，提高发动机的工作可靠性。 在实际的内燃机装置中，由于其自身机构的复杂性，扭转振动的形态要复杂得多。振动的圆盘与扭转的轴分得不是很清楚，尤其是那些质量比较集中的地方，往往伴有扭转变形，而作为连接轴的部分，本身又往往有相当的转动惯量，也就是说轴系中每一小质量都是既有惯量又有弹性的振动体。这样的数学模型显然是无法处理的，因此必须按照振动特性不变的原则，将一个实际的轴系简化成能进行数学计算的理想系统。以下就是当量化的一般参考原则： 1） 以每一个曲柄的中心线作为一个质量的集中点，其转动惯量包括曲柄、连杆以及活塞（V 型发动机包括两套活塞连杆）的总的折合惯量。 2） 以具有较大转动惯量的部件中心线作为质量的集中点，如飞轮、推力盘等。 3） 一般认为，齿轮在传动时。弯曲变形较小，可把各齿轮的转动惯量，按其传动比的关系合并成一质量，并以该轮系平面在主动齿轮的中心线作为质量的集中点。 4） 通过皮带传动的设备，由于皮带的柔性很大，被带的设备对系统扭振的影响可以不予考虑。 5） 有弹性联轴节，应把主、被动部分分为两个集中质量。弹性元件的柔度即为主、被动两部分之间的柔度值。 湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文66） 对于每相邻集中质量之间的连接轴的转动惯量，当轴较短时可以忽略不计，稍长的轴系可把它的转动惯量平均分配到两个集中质量上。如中间轴根数较多（即轴系较长） ，可以把连接盘的接合面作为质量的集中点，把每根中间轴的转动惯量平均分配到相邻的连接盘上。 7） 每相邻两集中质量点之间的连接轴，以轴的弹性值作为该两质量间的当量轴段。 8） 当系统中有液力偶合时，以偶合器为分界面，把系统分成两个相互独立的扭振系统。 9） 对于干摩擦片或离合器而言，一般可以近似的认为是刚性连接。 2.1 在 Excite PowerUnit 模块中仿真模型的建立打开 AVL 软件中的 Excite PowerUnit 模块，鼠标左键双击模型单元中部分元件（包括曲轴，连杆，活塞，轴承，发动机等）将其调入到工作界面中，并用线连接起来，建立的模型如图 2-1-1 所示：湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文7图 2-1-1 Excite PowerUnit 模块中的仿真模型2.1.1 仿真控制参数选择的输入仿真控制（Simulation Control） 计算任务的参数如图 2-1-1-1 所示：图 2-1-1-1 仿真控制的计算任务运行时的选项控制如图 2-1-1-2 所示：湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文8图 2-1-1-2 运行时的选项控制从上图可以看出：运行时的任务有四项，包括 Create Model，Simulation ，Create Results 和 Utillty Batch。连接单元特性的定义：用鼠标左键双击模型中的连接单元之后，在弹出的对话框中输入其参数即可。其中连接单元包括：轴承、导引等等。2.1.2 连杆轴承的参数输入图 2-1-2 连杆轴承的参数从上图可以看出：连杆轴承在初始位置时的刚度和阻尼，在有径向间隙时的刚度，阻尼，以及径向位移的大小。2.1.3 主轴承的参数输入湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文9图 2-1-3 主轴承的参数从上图可以看出：主轴承的轴承宽度（不含倒角） ，主轴承直径，以及径向间隙的大小等等。2.1.4 止推轴承的参数输入湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文10图 2-1-4 止推轴承的参数从上图可以看出：止推轴承在初始位置时的刚度和阻尼，在有径向间隙时的刚度，阻尼，以及径向位移的大小。体单元特性的定义：用鼠标左键双击模型中的体单元之后，在弹出的对话框中输入其参数即可。其中体单元包括：活塞、连杆、曲轴、气缸体等等。2.1.5 连杆的参数输入湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文11图 2-1-5 连杆的参数从上面可以看出：连杆在活塞运动方向和垂直运动方向上的偏移量的大小等等。由于每个连杆的几何尺寸都是一样的，故只需定义一个连杆，其他连杆的数据程序会自动拷贝。2.1.6 活塞的参数输入湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文12图 2-1-6 活塞的参数从上图可以看出：活塞的刚度和阻尼的大小。同连杆一样，由于每个活塞的几何尺寸都是一样的，故只需定义一个活塞，其他活塞的数据程序会自动拷贝，不需要每个活塞依次输入数据。2.1.7 曲轴的参数输入湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文13图 2-1-7-1 曲轴的参数从图上可以看出：曲轴的 1 阶频率及对应的阻尼比，2 阶频率及对应的阻尼比。点击 FE Modal-condensed-shaft modeler 按键，然后会弹出一个空白的工作界面，在界面的左侧模型单元中用鼠标左键双击构成曲轴的元件，将其调入到工作区，然后用线将各元件连接在一起，就建立了曲轴的模型，最后点击 OK 按钮即可。曲轴的模型如图 2-1-7-2 所示： 图 2-1-7-2 曲轴的模型湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文14在建好的模型中用鼠标左键双击各个元件，在弹出的对话框中输入相应的参数。曲轴最左端部分参数的输入，如图 2-1-7-3 所示：图 2-1-7-3 曲轴最左端部分的参数从图上可以看出：输入的参数包括各段的长度和外径的大小。曲轴最右端参数的输入，如图 2-1-7-4 所示：图 2-1-7-4 曲轴最右端部分的参数点击 Simulasion-Autoshaft 按键，在弹出的对话框中，要特别注意文件的存放路径的选择，其它参数的输入如图 2-1-7-5 所示：湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文15图 2-1-7-5 曲轴最右端部分的参数从上图中可以看出：曲柄外径的最大值为 0.075m，曲柄销的最大外径值为0.064m。点击 Modal analysis 按键，在弹出的对话框中，第一行文件来源选项的选择要特别注意，如果这一项选择有问题将直接影响后面结果的运行，频率模态选择从 7 阶到 12阶，输入的参数如图 2-1-7-6 所示：湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文16图 2-1-7-6 模态选择点击 View Modes 按键，各阶模态结果如图 2-1-7-7 所示：图 2-1-7-7 各阶模态结果湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文17从上图可以得出：曲轴的前六阶模态产生的位移属于刚体位移，不会产生扭振的情况，不是我们考虑的范围。从第 7 阶到第 12 阶产生了扭转位移，这是由于曲轴的扭振形成的，这是我们要分析的对象。以上各图便是仿真模型中各个元件的参数输入，模型中有部分数据是直接用的默认参数。其它部分数据都来自于 EQ6102 的三维模型图。2.2 曲轴的模态分析用矩阵形式表示的自由振动微分方程组为：（2-2-1）0IC通过模态分析可以求出上式中的转动惯量矩阵 和扭转刚度矩阵 。然后求解上IC面微分方程即可求得曲轴的扭转角位移。2.2.1 曲轴的七阶模态仿真图用鼠标左键单击上图中的 7 阶模态那一行，就可以看到曲轴的 7 阶模态的仿真动画，某一时刻的的 7 阶模态仿真图如下图所示：图 2-2-1 七阶模态仿真图上图为曲轴的七阶模态。从图上可以得出：此时的频率为 150HZ。湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文182.2.2 曲轴的八阶模态仿真图同样用鼠标左键单击上图中的 8 阶模态那一行，就可以看到曲轴的 8 阶模态的仿真动画，某一时刻的的 8 阶模态仿真图如下图所示：图 2-2-2 八阶模态仿真图此图为曲轴的八阶模态图。从图上可以得出：此时的频率为 175HZ。曲轴的九阶，十阶，十一阶，十二阶模态仿真图在此不再一一给出。2.3 在 Excite-Designer 模块中仿真模型的建立打开 AVL 软件中的 Excite-Designer 模块，鼠标左键双击模型单元中部分元件（包括活塞，活塞销，连杆，曲轴，主轴承，发动机）将其调入到工作界面中，并用线连接起来，建立的模型如图 2-3 所示：湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文19图 2-3 Excite-Designer 模块中的仿真模型2.3.1 全局数据的输入轴系全局数据的输入，如图 2-3-1-1 所示：湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文20图 2-3-1-1 轴系全局参数从上图可以看出：发动机转速设置成了变量，全局数据包括了缸数，缸径，冲程，连杆长度，发动机形式以及气缸压力产生的载荷：活塞压力，连杆小头受力，曲柄销受力，主轴承力，臂载荷，输出扭矩等等。点火顺序参数输入，如图 2-3-1-2 所示：图 2-3-1-2 点火顺序参数从上图可以看出：该发动机