某國(guó)六柴油機(jī)扭轉(zhuǎn)減振器設(shè)計(jì)

魏順冬

摘要：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展及國(guó)家綠色環(huán)保戰(zhàn)略的實(shí)施，更高的排放標(biāo)準(zhǔn)成為當(dāng)前柴油機(jī)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，同時(shí)對(duì)于柴油機(jī)各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)要求以及可靠性要求也越來(lái)越高。針對(duì)排放要求的升級(jí)和應(yīng)對(duì)更高的爆發(fā)壓力，我們對(duì)扭轉(zhuǎn)減振器要求同步提高，進(jìn)行新的匹配設(shè)計(jì)。扭轉(zhuǎn)減振器主要結(jié)構(gòu)由外殼和慣性圓環(huán)兩個(gè)基本元件組成，減振器的殼體與曲軸端部相連，外殼和慣性圓環(huán)間隙中充滿(mǎn)著高粘度硅油，利用受剪切力的高粘性液體產(chǎn)生的阻尼力對(duì)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)起到減振作用。

Abstract： With the development of the engine technology and the implementation of the strategy of national green environmental protection， higher emissions standards become the primary goal of the current diesel engine design， and meanwhile， the design requirements and reliability requirements of every parts and components in the diesel engine are becoming more and more high. In response to the upgrade for emissions requirements and respond to the outbreak of the higher pressure， we have synchronous improved torsional vibration damper standard， ?and conducted new matching designs. Torsional vibration damper structure dominated by two basic components of shell and inertial circles， the shell of the damper is connected to the front end of the crankshaft， the clearance of the shell and the inertial circle filled with high viscosity silicone oil， using the shear force of high viscous damping force produced by the liquid to reduce the torsional vibrationof crankshaft system.

關(guān)鍵詞：軸系扭振;硅油粘度;溫度;振幅

Key words： shafting torsional vibration;silicone oil viscosity;temperature;amplitude

1 ?概述

由于升級(jí)排放要求提高，且伴隨著更高的爆發(fā)壓力，故對(duì)曲軸扭轉(zhuǎn)減振器要求同步提高，需重新匹配設(shè)計(jì)。曲軸扭轉(zhuǎn)減振器主要結(jié)構(gòu)由外殼和慣性圓環(huán)兩個(gè)基本元件組成，減振器的殼體與曲軸端部相連，外殼和慣性圓環(huán)間隙中充滿(mǎn)著高粘度硅油，利用受剪切力的高粘性液體產(chǎn)生的阻尼力對(duì)柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)起到減振作用。

2 ?此國(guó)六柴油機(jī)扭轉(zhuǎn)減振器仿真設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析

2.1 建立匹配計(jì)算模型

減振器匹配計(jì)算時(shí)一般將柴油機(jī)整個(gè)軸系當(dāng)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單扭擺模型。簡(jiǎn)化前后的固有頻率相同，振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)能量相同。利用該原則，帶硅油減振器的柴油機(jī)曲軸系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1。其中Jd為硅油減振器慣性圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Cd為硅油減振器的阻尼系數(shù)，Me為發(fā)動(dòng)機(jī)等效激振力矩幅值，Je為系統(tǒng)中除慣性圓環(huán)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ke為系統(tǒng)等效扭轉(zhuǎn)剛度，Ω為激振力矩頻率，e表示為正弦函數(shù)激勵(lì)。

其運(yùn)動(dòng)方程為，硅油減振器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中硅油的粘度會(huì)跟隨減振器溫度和扭振幅值的變化而變，則造成減振器的實(shí)際工作阻尼C值不斷地變化，所以不能直接求解方程。

2.2 仿真計(jì)算

采用圖1單扭擺簡(jiǎn)化模型，將硅油減振器的幾何參數(shù)和硅油名義運(yùn)動(dòng)粘度值，柴油機(jī)軸系當(dāng)量系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行工況和相對(duì)應(yīng)的各諧次激振力矩幅值以及外界環(huán)境溫度值作為仿真計(jì)算的已知條件。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷按照外特性曲線來(lái)計(jì)算，在各轉(zhuǎn)速點(diǎn)計(jì)算出的平均氣體有效壓力相差不大，對(duì)應(yīng)的各諧次的激勵(lì)力矩幅值相差不大，故可以取一定值計(jì)算。由于各個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)諧次的激勵(lì)力矩頻率不同，引起振動(dòng)響應(yīng)的頻率和幅值也不同，造成減振器內(nèi)硅油所受剪切率的變化直接影響到減振器的阻尼系數(shù)。在各個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)減振器都會(huì)隨之發(fā)生作用，再建立動(dòng)態(tài)熱平衡后趨于穩(wěn)定，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后原有的平衡會(huì)被打破然后再建立新的平衡。計(jì)算時(shí)先設(shè)定轉(zhuǎn)速，再設(shè)定起始溫度（環(huán)境溫度），根據(jù)柴油機(jī)外特曲線對(duì)應(yīng)的負(fù)載計(jì)算主諧次激勵(lì)力矩值，然后計(jì)算阻尼系數(shù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值求解，再根據(jù)上一節(jié)的熱平衡計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，再增加轉(zhuǎn)速重新進(jìn)行計(jì)算，直到最高轉(zhuǎn)速。最后輸出柴油機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的減振器性能參數(shù)變化和軸系扭振幅值圖。

2.2.1 硅油減振器仿真計(jì)算

將柴油機(jī)軸系當(dāng)量系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單扭擺模型，可計(jì)算出Je=0.5005kg·m2;k=4.023×107N·m/rad;以6諧次作為主諧次來(lái)計(jì)算，得出6諧次的等效激振力矩幅值Me=198.38N·m。根據(jù)計(jì)算硅油減振器尺寸為？準(zhǔn)310*32，慣性輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=0.112kg·m2，間隙取δ=0.5，β=1/12，？駐t=0.000314，60萬(wàn)硅油在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度η0，見(jiàn)表1，采用編程計(jì)算。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果和分析

仿真計(jì)算時(shí)，環(huán)境溫度設(shè)為40℃，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)淖畹娃D(zhuǎn)800r/min到最高轉(zhuǎn)速2200r/min，計(jì)算轉(zhuǎn)速每次增加10r/min，最后輸出全部各個(gè)計(jì)算轉(zhuǎn)速點(diǎn)的扭振幅值、減振器溫升、發(fā)熱量和阻尼系數(shù)等計(jì)算結(jié)果。輸出的結(jié)果顯示隨轉(zhuǎn)速升高由于剪切率和溫度升高，硅油的粘度下降很快，故阻尼系數(shù)也下降很快，見(jiàn)圖4;減振器發(fā)熱量在共振區(qū)內(nèi)上升很快達(dá)到峰值，見(jiàn)圖2 ;此時(shí)隨發(fā)熱量快速加大，溫度變化很快，與外界環(huán)境溫度的溫差加大使得減振器散熱量也在加大，直到達(dá)到熱平衡點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

通過(guò)這些曲線可以很清楚地看出減振器工作時(shí)動(dòng)態(tài)平衡的建立過(guò)程各個(gè)相關(guān)因數(shù)的變化趨勢(shì)，相互影響相互制約的過(guò)程，直到平衡點(diǎn)處才趨于穩(wěn)定，見(jiàn)圖5。還可以通過(guò)以上計(jì)算得出，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)爆壓為180bar，硅油粘度為60萬(wàn)cst時(shí)，減振器的最高溫度值 83℃時(shí)，最大單諧次為6諧次激勵(lì)響應(yīng)最大，其振幅值為168md;在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)爆壓為195bar，硅油粘度為60萬(wàn)cst時(shí)，減振器的最高溫度值 95℃時(shí)，最大單諧次為6諧次激勵(lì)響應(yīng)，其最大振幅值為185md，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)爆壓為220bar，硅油粘度為100萬(wàn)cst時(shí)，減振器的最高溫度值 92℃和6諧次激勵(lì)響應(yīng)最大振幅182md，可以滿(mǎn)足此發(fā)動(dòng)機(jī)的減振性能。

3 ?此國(guó)六柴油機(jī)扭轉(zhuǎn)減振器實(shí)際臺(tái)架測(cè)試結(jié)果

按照扭振性能計(jì)算分析結(jié)果，確定最佳減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)，并試制樣件，裝機(jī)后進(jìn)行扭振測(cè)試及可靠性測(cè)試。圖6所示，樣件硅油減振器在此國(guó)六柴油機(jī)上，經(jīng)過(guò)1000h耐久后扭振測(cè)試結(jié)果共振振幅最高為6諧次時(shí)為0.131 deg，小于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制值0.2deg，減振器的溫度為89℃，處于控制值120℃的范圍內(nèi)。

4 ?結(jié)論

①通過(guò)上述扭轉(zhuǎn)減振器理論計(jì)算分析，可以滿(mǎn)足此發(fā)動(dòng)機(jī)的減振性能，并與實(shí)物樣件測(cè)試結(jié)果一致。

②對(duì)減振器進(jìn)行有限元分析，合理設(shè)計(jì)減振器外形結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這樣理論計(jì)算可為試樣提供理論依據(jù)。

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