XIAOZHONGMING

来源：安徽江淮汽车股份有限公司技术中心  作者：许涛。阮仁宇

      摘要：采用ExCITE软件，对某汽油机的曲轴系进行了扭振分析，首先进行了减震皮带轮的频率选定，然后针对选定频率的曲轴系进行扭振分析。分别计算了转速波动、耗散功以及扭振角。计算结果显示：以上指标均在可接受的范围内，满足使用要求。


      关键词：发动机；曲轴系；扭振分析


      0.引言


      发动机曲轴系包括曲轴以及与曲轴相连的各运动件(如飞轮、减震皮带轮等)。曲轴系是发动机最为关键的零部件，其作用是把活塞、连杆传来的气体力转化成力矩．用来驱动汽车的传动系统、发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴系是一个弹性体，存在一系列的扭振固有频率，在发动机运行过程中，曲轴系将产生明显的扭转振动。而这个扭转振动是发动机上危害最大的振动问题，不仅消耗发动机的有用功，严重时甚至会导致曲轴断裂。因此。在设计开发时必须对曲轴的扭振情况进行分析。


      借助于ExcITE软件。以某四缸汽油机为研究对象，对其曲轴系进行扭振分析，优选皮带轮的固有频率。评价曲轴系的扭振特性，为曲轴系的设计提供理论参考。


      1.计算模型

      1．1 主要参数


      发动机的主要参数如表1所示。


      计算用的爆发压力(额定工况)来源于热力学的计算结果，如图1所示。

表1发动机主要参数

图1 爆发压力曲线

      1．2建立计算模型


      在ExcITE中搭建曲轴系的等效计算模型，如图2所示，定义好各个部件的设计参数、润滑油特性、仿真控制参数。接下来就可以进行计算。其中曲轴使用sh撕modeler模块和Au．tosh心模块完成。连杆使用Conmd Modeler完成。

图2计算模型

      2.结果分析

      2．1皮带轮优选


      由于曲轴是一个柔性轴，以及爆发压力的变动幅度很大。曲轴系在运转过程中会产生扭转振动。这对曲轴的寿命和发动机的工作稳定性都有影响。减振皮带轮能够消减曲轴系的扭振，其主要控制因素是皮带轮的惯量和频率。该项目皮带轮的结构已经确定，即惯量确定，通过测量，惯量为0．006 27 kg·m2，其频率可以通过调整橡胶的配方来调节。频率与扭转刚度一一对应，在扭振分析中则使用刚度来计算。


      图3和图4是皮带轮的优选图。分别表示了匹配皮带轮后系统的扭振幅度和内应力。从图3可以看到：扭转刚度为28 000—36 000 N·m／rad时，系统扭振角较小；而从图4可以看到：扭转刚度为23 000—32 000 N·rn／md时，系统内应力较小。为了保证系统扭振角和内应力都保持在较低的水平，则扭转刚度选取为28 000～32 000 N·In／rad较为合理。其对应的频率范围为340～360 Hz。中心频率为350 Hz，因此选定皮带轮频率值为350 Hz。

图3系统扭振角

图4系统最大翦I=U应力

      2．2扭振计算


      通过前面确定的皮带轮频率。下面将对匹配350 Hz皮带轮的曲轴系进行更为详细的曲轴系扭振计算。扭振计算的主要计算项目有：飞轮转速波动、皮带轮耗散功以及曲轴扭振角。


      (1)转速波动


      转速波动是反映曲轴系工作过程中．由于缸内压力的变化，曲轴转速的变化率。它是由发动机持续点火的运行机制导致的转速不稳定，反映了运转的平顺性。转速波动过大则会导致发动机传输扭矩波动大，从而引起整机较大的振动。一般要求在l 500 r／min时转速波动小于0．125。转速波动计算结果如图5所示，可以看到：在1 500 r／min时转速波动为0．072。小于0．125的评价标准，满足要求。

图5 转速波动网

      (2)耗散功


      耗散功是反映曲轴系运转过程中内部能量的损耗。如果耗散功太大就可能使减振器发热量过大，引起橡胶老化，降低减振器寿命，同时也会使得减振器性能变化较大，进而影响发动机性能。耗散功的评价标准为小于200 w。耗散功计算结果如图6所示。可以看出：该曲轴系耗散功较小，最大也不超过100 w。明显小于200 w的评价标准，满足要求。

图6 耗散力

      (3)扭振角


      扭振角是曲轴前后端的相对角度变化量。它对曲轴的强度和乘坐舒适性都有一定的影响．是曲轴扭振计算的一个重要指标。在发动机最大转速范围内。所有谐次激励导致的单阶扭转最大角度应低于一定水平，且各谐次的合成扭转角度也需要低于一定的限值。


      评价扭振行为标准如下：①在发动机转速范围内，曲轴前端单阶最大扭转角度应小于0．2。；②在发动机转速范围内，曲轴前端合成最大扭转角度应小于O．5。。


      曲轴扭振角如图7所示。二阶扭转角是由滚振引起，因此二阶扭转角一般不考虑。而合成扭转角也要剔除二阶的影响。为方便图示表达清楚。仅选取单阶扭转角、合成扭转角以及数值较大的4．5阶扭转角进行表示，其余阶次，由于扭转角结果较小．均不在图中表示出来。从图7可以看到：曲轴系的单阶扭振角小于0．12。。而合成扭振角小于0．3l。，均明显小于限值．扭振角满足要求。

图7 扭振角