发动机轴系扭振

车辆工程系,汽车发动机设计,主讲：毕玉华,车辆工程系,第三章发动机轴系扭振,3.1基本概念,3.2发动机轴系扭振分析,3.3减振措施,车辆工程系,2.1基本概念,共振现象定义：内燃机轴系由钢材或球墨铸铁制成既有弹性又有惯性并有自身的固有频率。在简谐性扭矩的激励下它会产生强迫扭转振动当激励扭矩的频率趋近于轴系的固有频率时扭振振幅急剧增大。缸数越多，曲轴越长这种现象越明显。危害：强烈的共振会破坏内燃机的正常工作和各缸的均衡导致齿轮撞击噪声增大功率下降零件损坏甚至断轴。,车辆工程系,2.1基本概念,曲轴扭振计算步骤当量系统换算自由振动计算强迫振动计算减振和避振计算,车辆工程系,扭振系统固有频率与固有振型计算,一单自由度扭摆自由振动,车辆工程系,一单自由度扭摆自由振动,车辆工程系,二自由度扭摆自由振动,车辆工程系,二自由度扭摆自由振动,车辆工程系,三自由度扭摆自由振动,车辆工程系,三自由度扭摆系统,车辆工程系,三自由度扭摆系统,车辆工程系,三自由度扭摆系统,第一主振型单结振动主振型有一个结点。第二主振型双结振动主振型有两个结点。三质量扭振系统的运动是由以上两种振型合成的结果。,车辆工程系,多自由度扭摆自由振动,车辆工程系,式中：下脚标的第一数字为质量标号，第二数字为振动级别。描述了多自由度扭振系统固有振动的物理状态。每一项代表各质量同频同相的谐振动，称为第？阶主振动。称为i阶主振型，称为i阶固有频率。,多自由度扭摆自由振动,车辆工程系,每个质量都在作很复杂的复谐运动，它由各主振动合成，而每一个主振动都有自己的振形、角频率、振幅、初相位。方程组每一直列描述多自由扭振系统的一个振动级别，它表明各质量的同一振动级有相同固有频率和相同的初相位，但不同振动级别的主振动的频率和初相位都是不同。方程组每一横行共有n-1项，表明n个质量的自由振动系统可以有n-1个级的振动和n-1个固有频率。,多自由度扭摆自由振动小结,车辆工程系,理论Theories,轴系当量系统自由振动和强迫振动CranktrainEquivalentSystemNaturalPropertyandForcedVibration,当扭矩M=0时,计算系统自由振动,有结果：特征值EigenValue,即固有频率特征向量EigenMode,即振型(不超过方程维数,一般取15结),当扭矩M0时,计算系统强迫振动,有结果:扭振振幅、轴段扭矩等对四冲程发动机，主要扭振形式有四缸机：2,4,6等谐次六缸机：3,4.5,6,7.5,9等谐次观察发动机转速范围内的结和谐次,车辆工程系,轴系强迫振动当量系统,简谐激振下扭摆运动特点多自由度扭摆对于圆频率为的简谐激励的相应是同频率的简谐激励，包含同自由度数的主振型成分，当激励频率等于固有频率时，发生共振。复谐激振下扭摆运动特点,车辆工程系,扭振当量系统集中质量-弹簧-阻尼系统,阻尼分为：发动机气缸当量阻尼扭振减振器阻尼金属材料阻尼,减振器第一拐第一拐第一拐第一拐飞轮离合器RingI1I3I4I5I6I7HubI2,I1C12I2C23I3C34I4C45I5C56I6C67I7,其中：I为转动惯量，减振器分成两个惯量C为两惯量间结构扭转刚度,发动机轴系简化,车辆工程系,Applications,NodeElement,Iweb+CW,例:Example:Inline4-CylinderEngine,轴系扭振TorsionalVibrationCalculation,I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10I11I12,车辆工程系,理论Theories,转动惯量(由EXCITEDESIGNER内部计算或外部输入):气缸转动惯量-气缸内活塞、连杆、曲拐等运动件的转动惯量集中在气缸中心线位置，采用动能相等原则折算，与曲拐的转动惯量叠加。飞轮、推力盘、弹性联轴器等有较大转动惯量的部件，将其转动惯量集中在各自的中心线位置相邻两集中质量间的连接轴的转动惯量一般可平均分配于该两集中质量上。较长轴系的船舶动力装置中间轴的转动惯量，可分配在轴系中各连接法兰的位置上齿轮传动装置中，啮合齿轮的转动惯量通过传动比关系转换合并成一个集中质量。对于主、从动轴：速比i=从动轴转速/主动轴转速，则将从动齿轮惯量I折算到主动轴时为i2I,轴系当量化简的基本假定CranktrainEquivalentSystemAssumptions,车辆工程系,理论Theories,车辆工程系,理论Theories,扭转刚度(由DESIGNER内部计算或外部输入):扭转刚度定义为相邻两集中质量间的扭转刚度弹性联轴节可作为同等刚度的连接段进行处理轴系中装有不传递扭振的液力耦合器(可传递扭矩)时,不计其从动盘对于主、从动轴：速比i=从动轴转速/主动轴转速，则将从动齿轮刚度k折算到主动轴时为i2k,轴系当量化简的基本假定CranktrainEquivalentSystemAssumptions,扭转刚度计算TorsionalStiffness单拐刚度ThrowStiffness:Calculationofthecrankthrowtorsionalstiffness(acc.toB.I.C.E.R.A.method英国内燃机研究协会方法)(acc.toTimoshenkomethod)轴段刚度ShaftStiffness:Torsionalstiffnessofsteppedshaft(consistsofseveralshaftparts),车辆工程系,理论Theories,轴系当量化简的基本假定CranktrainEquivalentSystemAssumptions,阻尼(外部参数输入):与质量运动有关的阻尼,如发动机的气缸阻尼,螺旋桨阻尼等,分配在集中质量处作为质量阻尼两相邻转动惯量间的阻尼,如轴段阻尼和减振器阻尼,外载(由EXCITEDESIGNER内部计算或外部输入):发动机及其驱动部件产生的干扰力矩是周期性的。各缸干扰力间的相位差取决于发火顺序。需进行简谐分析，相位以气缸冲程上死点为基础。,车辆工程系,理论Theories,简化后的惯量和弹簧个数应根据实际情况确定,可计入齿轮啮合、高弹联轴节等部件。具体情况具体讨论。计算分岔系统。集中质量弹簧阻尼系统的分析方法本身与实际的连续系统就有差别。在计算系统简化过程中会导入许多误差,必须一再检查,并使误差带减小到心中有数的合理范围。以试验结果为最终检测要求。,轴系当量化简的注意事项CranktrainEquivalentSystem,车辆工程系,理论Theories,轴系当量系统方程CranktrainEquivalentSystemDynamicEquation,根据牛二定律,有方程:,可写为:,其中:I转动惯量,D扭转阻尼,C扭转刚度,角位移,M扭矩,车辆工程系,理论Theories,轴系扭振TorsionalVibrationCalculation,系统气缸绝对阻尼定义SystemDampingwithAbsoluteDamping,车辆工程系,理论Theories,轴系扭振TorsionalVibrationCalculation,系统绝对和相对阻尼定义SystemDampingwithAbsoluteandRelativeDamping,气缸绝对阻尼,金属内部相对阻尼,车辆工程系,阻尼一般与速度有直接关系,故在扭振中，线性阻尼定义为单位振动角速度的阻尼力矩,其功表明各类阻尼的能耗,其中最主要的是各类摩擦能耗。一般可用试验方法测得,并折算到一个曲拐上的当量值。主要指活塞与缸套间阻尼损，缸径越大，冲程越大，该值越大。,单气缸当量阻尼(绝对阻尼)的估算,理论Theories,车辆工程系,单元特性ElementProperties,飞轮(+离合器)Flywheel齿轮带轮Toothedwheel,发动机机体EngineBlock,无对话框表明发动机机体,需连接轴承和气缸阻尼,绕曲轴中心的惯量,金属结构材料阻尼,非常小,可取0Nms/rad,绕曲轴中心的惯量,质量,车辆工程系,发动机轴系的激振力矩,简谐分析将周期函数分解为傅立叶函数的方法。,车辆工程系,简谐系数表简谐系数就是折算到活塞面积上的v次激振力。激振力矩（转矩）往复惯性力气体作用力带半次和4次以上的谐量分析依据主谐波与次主谐波,发动机轴系的激振力矩,车辆工程系,车辆工程系,发动机轴系对激振相应共振转速与强共振谐次确定,引起二阶共振的激振谐波次数比引起高阶共振的谐波次数低得多，谐波次数越低，扭矩振幅就越大。二阶刚度比其它高阶刚度小的多，这种轴系得最强共振是次数最低得谐波引起得二阶共振，强共振转速一般靠近最大转速,车辆工程系,六缸直列四冲程第一主振型下的共振曲线,车辆工程系,减振措施与减振器,减振措施简单回避调整固有频率减小某些谐次的当量激振力矩装设减振器动力减振器阻尼减振器阻尼弹性减振器,车辆工程系,减振措施与减振器减振器工作原理,车辆工程系,减振措施与减振器减振器工作原理,动力减振器适用于激振力矩频率不变或较小，或在固定转速下工作的系统。,车辆工程系,减振措施与减振器减振器工作原理,阻尼减振器,车辆工程系,减振措施与减振器减振器工作原理,阻尼弹性减振器,车辆工程系,减振措施与减振器减振器结构,减振器,车辆工程系,扭振减振器Damper,金属结构材料阻尼,非常小,可取0Nms/rad,转动惯量,内部计算,固定于曲轴的惯量块,曲轴可能前端,或后端,或两端带有扭振减振器,包括:橡胶,硅油扭振减振器Acrankshaftcanpossiblyhaveadamperatthefrontendorrearendorboth.,单/双自由惯量块，一般1,减振器输入数据,类型,ShaftModeler单元特性ElementProperties,车辆工程系,橡胶减振器RubberDamper,比例阻尼系数阻尼-弹簧能量比:常取1.2-1.4,取决于减振器设计参数和橡胶材料,ShaftModeler单元特性ElementProperties,扭振减振器Damper,Thedesignofrubberforoperatingathightemperaturesandforwithstandinghighshearisimportant.,车辆工程系,扭振减振器Damper,金属结构材料阻尼,非常小,可取0Nms/rad,自由惯量块,ShaftModeler单元特性ElementProperties,减振器扭转动刚度,橡胶减振器RubberDamper,惯量,减振器阻尼常数,比例阻尼系数,损失系数,车辆工程系,理论Theories,减振器扭转动刚度C估算为:C=(2f)2IringNm/rad其中：f:减振器第一阶工作频率HzIring:Ring的惯量kgm2,减振器动态扭转刚度的估算,注意:实际动刚度与减振器结构、硅油粘度等有关,必须与减振器阻尼统一,而且应由减振器厂试验校核其工作频率。车用一般在105106Nm/rad之间,一般结构越大刚度越大。,扭振减振器Damper,车辆工程系,硅油减振器ViscousDamper,在运动惯性块和固定惯性块间为高粘度液体,常用硅油,ShaftModeler单元特性ElementProperties,扭振减振器Damper,车辆工程系,硅油减振器ViscousDamper,减振器绝对阻尼值,ShaftModeler单元特性ElementProperties,扭振减振器Damper,金属