发动机皮带轮扭转振动分析毕业设计说明书

毕业论文设计题目：发动机皮带轮扭转振动分析学生姓名：学号：专业班级：指导教师：院系名称：机械与汽车工程学院I目录中文摘要.1英文摘要.21绪论.31.1课题的提出及意义.31.2发动机曲轴系统扭转振动的研究现状.31.2.1模拟分析研究.31.2.2试验研究.61.3本文研究的主要内容及思路方案.61.3.1本文研究的主要内容.61.3.2本文研究的思路方案.62发动机曲轴系统动力学模型的建立.63曲轴系统自由振动分析.93.1发动机曲轴系统无阻尼自由扭转振动运动微分方程的建立.93.2用矩阵迭代法求解固有频率及主振型.123.2.1第六阶固有频率及相应主振型的求解.133.2.2第五阶及以下固有频率与相应主振型的求解.173.2.3矩阵迭代法求得的各阶固有频率及主振型的检验.214曲轴系统强迫振动分析.244.1发动机曲轴系统无阻尼强迫扭转振动运动微分方程的建立.244.2曲轴系统干扰力矩计算.264.2.1曲轴系统干扰力矩来源分析.264.2.2燃气压力所产生的干扰力矩的计算.264.2.3各缸间干扰力矩相位差计算.314.3曲轴系统无阻尼强迫扭转振动分析.324.4曲轴系统无阻尼强迫振动的simulink仿真.345皮带轮减振器设计.395.1橡胶减振器的设计.395.2带橡胶减振器的曲轴系统无阻尼自由扭振分析.405.2.1带橡胶减振器的曲轴系统无阻尼自由扭振动力学模型的建立.405.2.2带橡胶减振器的曲轴系统无阻尼自由扭振动运动微分方程的建立415.2.3固有频率及主振型的求解.415.3带减振器的曲轴系统有阻尼强迫扭转振动分析.435.3.1带减振器的曲轴系统有阻尼强迫扭转振动动力学模型的建立.435.3.1带减振器的曲轴系统有阻尼强迫扭转振动运动微分方程的建立.435.3.2带减振器的曲轴系统有阻尼强迫扭转振动响应分析.44II结论.49谢辞.50参考文献.51附录.521计算第六阶固有频率及主振型程序.522计算第五阶及以下各阶固有频率及主振型.523解特征方程求各阶固有频率及主振型.534燃气压力简谐分析程序.531发动机皮带轮扭转振动分析摘要：发动机曲轴系统的振动是引发发动机振动的重要因素，其性能的优劣直接影响到发动机的效率、噪声、寿命。严重的曲轴扭转振动会破坏各缸工作的相位关系、恶化发动机的工作状况和平衡性能，导致发动机效率下降及振动噪声加剧，甚至引起曲轴断裂。合理的减振是延长发动机寿命，降低噪声，提高效率的有效手段。本文通过对某1.3L四缸汽油机曲轴系统进行简化，建立起其集总参数模型。分析轴系无阻尼自由振动，采用矩阵迭代法，借助matlab编程，求得系统的各阶固有频率及主振型。分析了轴系无阻尼强迫振动，对气缸内燃气压力进行了简谐分析，绘制出了临界转速谱；应用状态空间法建立起曲轴系统状态空间模型，借助matlab中simulink模块仿真分析。设计了一个减振器的主要参数，并分析了其减振效果。关键词：曲轴系统扭振matlab/simulink扭转减振器2Abstract:Thevibrationoftheenginecrankshaftsystemisanimportantfactortoleadtoenginevibration.Itsperformancewilldirectlyaffecttheefficiency,noise,lifeoftheengine.Serioustorsionalvibrationofcrankshaftmaydamagethephaserelationshipofeachcylinder,deterioratetheengineworkingconditionsandbalanceperformance,leadtoreductionofengineefficiencyandaggravationofnoise,evencausecrankshaftfracture.Reasonablevibrationreductionisaneffectivemeanstoextendthelifeofengine,reducenoiseandimproveefficiency.Thispaperestablishesthelumpedparametermodelofthecrankshaftsystemthroughsimplifieda1.3Lfour-cylindergasolineengine.Usingmatrixiterativemethodwithmatlabprogramming,thenaturalfrequenciesandmainvibrationmodehavebeenobtainedofundampedfreevibrationsystem.Analysisofshaftundampedforcedvibration,andharmonicanalysisgaspressurewithincylinder,drawthespectrumofcriticalspeed.Applicationofstatespacemethodtoestablishstatespacemodelofcrankshaftsystem,adusematlabsimulinkmodulesimulationanalysis.Themainparametersofashockabsorberhasbeendesigned,anditsdampingeffecthasbeenanalyzed.Keywords:crankshaftsystemtorsionalvibrationmatlab/simulinktorsionaldamper31绪论1.1课题的提出及意义发动机的振动关系到其寿命、效率以及噪声。曲轴是发动机的主要运动部件，是发动机中最重要、载荷最大、价格最高的零件之一，它的性能优劣直接影响到发动机的可靠性和寿命。曲轴系统的振动是引发发动机振动的重要因素。合理的减振是延长发动机寿命，降低噪声，提高效率的有效手段。发动机曲轴是一个结构复杂的弹性连续体，由于曲轴上作用有大小、方向都周期性变化的切向力和法向力，曲轴系统将会同时产生弯曲振动和扭转振动。本课题只涉及曲轴系统的扭转振动。曲轴扭转振动是曲轴在旋转过程中，在平均扭转变形基础之上叠加的一种交变扭转变形。扭转振动总是存在的，但它不像整机振动那样能直接被人们所感触到。它是在扭转振动剧烈时，通过发动机或者轴系零部件的损坏才能觉察。发动机在实际运转过程中承受着各种冲击和周期性激振力的作用。如果发动机的周期激振力矩的频率与曲轴扭振固有频率相等时，就会发生共振。严重的曲轴扭转振动会引起曲轴断裂、破坏各缸工作的相位关系、恶化发动机工作状况和平衡性能等，导致发动机功率下降及振动噪声加剧。本课题以某1.3L四缸汽油机为例，旨在a)计算曲轴系统固有频率、主振型；b)分析曲轴系统无阻尼强迫振动，绘制临界转速谱，确定引起曲轴共振的干扰力矩谐次范围，重点分析引起较大共振的谐次；c)设计一个合适的橡胶减振器，以降低共振幅值。1.2发动机曲轴系统扭转振动的研究现状1.2.1模拟分析研究1）分析计算模型由于曲轴系统的结构和受力情况都比较复杂，在做扭振分析时一般都将其简化成简单的动力学模型，以便于求解。现有的研究，用作振动计算的曲轴系统模型可分为两大类：一类是轴系质量经离散化后集总到许多集中点的集总参数模型，另一类是轴系质量沿轴线连续分布的分布参数模型。4轴盘模型是轴系振动计算中最早使用的力学模型，该模型将曲轴系统离散成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。其中各圆盘的转动惯量包括：曲柄的转动惯量，活塞、连杆的等效转动惯量，传动系统、减振器、飞轮的转动惯量等。集总参数模型使用简单,计算方便。但该模型过于简化，计算精度不高，不能用于精确计算。分布参数模型是将轴系的质量沿轴线连续分布,因而比集总参数模型更接近实际，计算精度也较集总参数模型高。目前除了有限元计算模型以外,还有框架模型和阶梯轴模型两种分布参数模型。2）计算方法固有频率的精确计算方法可以由解特征方程求得，快速0|2MKHnw简洁，但只适用于低自由度系统。对于多自由度系统，解特征方程非常复杂，虽然可以由计算机代替计算，但工程上仍常用近似计算的方法。工程上常用的近似计算方法有：矩阵迭代法、子空间迭代法、瑞利能量法、邓克莱法、传递矩阵法等。、矩阵迭代法矩阵迭代法是一种最常用的、有效的方法，本课题用的就是这种方法。其特点是：A)可以求振动系统的各阶固有频率和主振型；B)对预估振型向量无精度要求；C)能够控制计算精度；D)容错性好，中间的计算错误只影响计算收敛的速度，而不影响最终计算的结果；E)方法简单，便于计算机编程实现；F)有时收敛较慢，计算效率较低。、子空间迭代法子空间迭代法适合于求解系统前几阶特征值和特征向量。这种方法假设前r个初始向量同时进行迭代，以求得前s(s2。现给定任一初始迭代向量，将表示为各阶主振型的线n1性组合，即（3-)()2()1(1nccA6）上式中c1、c2、cn皆为常数，它分别表示各阶主振型在中所占比例。1A用前乘并令其乘积为，则D11B)()2()(1nccADB=()(1)2(1)(1nAc(3-7)(1)2(1)(1,1,2ncABA这里、均小于1，可见，经第一次迭代后，与相1231n2A1比，除第一阶主振型外，其它各阶主振型所占分量均已相对地减小了。因)(A而比更接近于第一阶主振型。同样当进行第二次迭代后，则有2A1)(1)2(1)1(,122nAcAcBDB（3-8）)(1(1)2(1)(12,2,3nAcA与式（3-7）相比，中除第一阶主振型外，其它各阶主振型所占的分量31A更为减小了。因此经过k1次迭代后，则有)(1)2(1)1(2,1,1nkkkAccBADB（3-9）)(1)2(1)(1,1,1,nkkkAcA17由于中除外，各振型成分因p(i)t=p(i);p(i)=p(j);p(j)=t;q=A(:,i);A(:,i)=A(:,j);A(:,j)=q;endendendfori=1:nsubplot(n(1,1)/2,2,i)plot(A(:,i)ylabel(主振型)xlabel(x)gridonend4燃气压力简谐分析程序a=09.2307719.487229.74364049.23085759.487269.74368089.230899.4872109.744120129.231139.487149.744160169.231179.487189.744200209.231219.487229.744240249.231259.487269.744280289.231299.487309.744320330.256339.487349.744360.026369.231379.487389.744400410.256419.487429.744440450.256459.487469.744480490.256500.513509.744520530.256540.513550.769560.026570.256579.487589.744600610.256620.513629.744640650.256660.513669.744680690.256700.513710.769720;pg=69.702182.723469.702145.957430.638324.893617.61713.021310.7234589.191498.042557.27666.893626.510645.36175.36175.36174.595743.829793.446812.297871.914891.914891.531910.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.7659570.7659570.7659570.7659570.7659570.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.3829790.7659570.7659570.7659570.7659570.7659570.7659570.7659571.914892.680853.063834.212775.36177.6595710.340415.319134.468169.3191;pg=pg*105;d=.0787;l=.122;r=.0345;b=asin(r/l*sin(a*pi/180);mg=pi*d*d/4*r*pg.*sin(a*pi/180+b)./cos(b);plot(a,mg)gridonm0=mean(mg)a12=sum(mg.*cos(1/2*a*pi/180)/72*2b12=sum(mg.*sin(1/2*a*pi/180)/72*259m12=sqrt(a122+b122)f12=atan(a12/b12)a1=sum(mg.*cos(a*pi/180)/72*2b1=sum(mg.*sin(a*pi/180)/72*2m1=sqrt(a12+b12)f1=atan(a1/b1)a112=sum(mg.*cos(1.5*a*pi/180)/72*2b112=sum(mg.*sin(1.5*a*pi/180)/72*2m112=sqrt(a1122+b1122)f112=atan(a112/b112)a2=sum(mg.*cos(2*a*pi/180)/72*2b2=sum(mg.*sin(2*a*pi/180)/72*2m2=sqrt(a22+b22)f2=atan(a2/b2)a212=sum(mg.*cos(2.5*a*pi/180)/72*2b212=sum(mg.*sin(2.5*a*pi/180)/72*2m212=sqrt(a2122+b2122)f212=atan(a212/b212)a3=sum(mg.*cos(3*a*pi/180)/72*2b3=sum(mg.*sin(3*a*pi/180)/72*2m3=sqrt(a32+b32)f3=atan(a3/b3)a312=sum(mg.*cos(3.5*a*pi/180)/72*2b312=sum(mg.*sin(3.5*a*pi/180)/72*2m312=sqrt(a3122+b3122)f312=atan(a312/b312)a4=sum(mg.*cos(4*a*pi/