發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動試驗研究

程勉宏 龔鵬 李播博

摘 要：曲軸的扭轉(zhuǎn)振動是影響發(fā)動機安全運行的重要因素之一 因此曲軸扭轉(zhuǎn)振動是發(fā)動機研發(fā)過程要解決的重要課題。文章以兩款不同的直列四缸發(fā)動機為研究對象 用測速齒盤作為發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動的測量信號齒盤 介紹了測試齒盤的測試方法 并在發(fā)動機臺架上進(jìn)行發(fā)動機扭振試驗測試 為發(fā)動機性能改善提供幫助。

關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)振動;測速齒盤;試驗研究

中圖分類號：U467.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-108-03

Abstract： The torsional vibration of crankshaft is one of the main factors promising the safe operation of engine， therefore the torsional vibration of crankshaft is the key issue during the R&D process of engine. In this paper， the torsional vibration of crankshaft in two different inline four-cylinder engines was studied experimentally. A speed measuring tooth disc was employed as the signal disc during the experimental test for the torsional vibration of the engine. The test procedure was introduced and the bench tests of torsional vibration were carried out for both engines. The results could provide some guidance for engine performance improvement.

Keywords： Torsional vibration; Speed measuring tooth disc; Experimental research

CLC NO.： U467.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-108-03

1 前言

隨著社會的發(fā)展 人們對汽車乘座的舒適性要求越來越高，有關(guān)汽車發(fā)動機的噪聲、振動和行駛平順性（NVH）的研究愈來愈受到人們的重視 發(fā)動機曲軸系的扭轉(zhuǎn)振動是汽車發(fā)動機NVH分析的重要組成部分。嚴(yán)重的扭振會使曲軸斷裂或連桿、活塞等相關(guān)零件損壞 也嚴(yán)重影響到整車傳動系的穩(wěn)定性。因此系統(tǒng)設(shè)計完成后需對發(fā)動機扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行測試 以評價其扭振的性能 常用的方法是在軸上安裝等分結(jié)構(gòu)（如齒盤）進(jìn)行非接觸式測量。

2 曲軸扭振的產(chǎn)生

在發(fā)動機的使用過程中 有時會發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動機達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時會產(chǎn)生劇烈的振動 其性能指標(biāo)也就變差了 如果繼續(xù)在這一轉(zhuǎn)速下工作就有可能發(fā)生曲軸斷裂、連桿、活塞等零件損壞、正時齒輪打齒等一系列惡性事故 但當(dāng)提高或者降低發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速 這一現(xiàn)象將逐漸減弱并消失 發(fā)動機重新恢復(fù)正常工作狀態(tài) 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是發(fā)動機的曲軸在使用的過程中發(fā)生了大幅度的扭轉(zhuǎn)振動 簡稱扭振。

當(dāng)外界扭轉(zhuǎn)力矩的頻率與曲軸的共振頻率相同時 曲軸的扭轉(zhuǎn)變形幅度將大大超過正常值 這種共振現(xiàn)象是我們不希望發(fā)生的。對于四沖程發(fā)動機工作時曲軸扭矩M數(shù)學(xué)公式可表達(dá)為：

式中：M0為單缸四沖程發(fā)動機的平均扭矩;為扭矩Mg的第k階簡諧分量;ω為工作過程周期變化的園頻率 ω=2π/T;T為工作過程完成一個循環(huán)的周期;δk為第k階諧量的初相位。

由式（1）可以看出 曲軸上除了作用著一個真正用來驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)的平均力矩M0之外 還作用著多個簡諧力矩 它們對曲軸的旋轉(zhuǎn)起到干擾作用。當(dāng)發(fā)動機達(dá)到一定轉(zhuǎn)速 施加在曲軸上的周期性變化的某一階簡諧力矩與曲軸本身的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率相同時 曲軸就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象 此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速叫做發(fā)動機的臨界轉(zhuǎn)速 發(fā)動機應(yīng)嚴(yán)禁長時間在此轉(zhuǎn)速下工作。

3 曲軸扭振的測試

3.1 扭振測試分析

扭振測試是在測試系統(tǒng)中采集的一系列轉(zhuǎn)速脈沖信號計算出軸的瞬時轉(zhuǎn)速 并由此計算出扭振的角度。

實際測試中 扭振可以用角位移、角速度和速度描述 利用安裝在軸上的測速齒盤進(jìn)行扭振測量時 實質(zhì)為測量相鄰兩齒間的平均角速度：

式中 θ0為齒盤兩齒間的角度 θ0=2π/n;n為齒數(shù);△ti為相鄰兩齒同一位置轉(zhuǎn)過磁電傳感器的時間差 △ti = tn+1 -tn。

3.2 測試系統(tǒng)安裝

在扭轉(zhuǎn)振動測試試驗中 測速齒盤的安裝精度直接影響試驗的測試結(jié)果 安裝時要注意測速齒盤和減震皮帶輪之間保持一定的間隙 并保證同心。安裝簡圖如圖1所示。

實際測試中 設(shè)曲軸旋轉(zhuǎn)以o2為圓心 測速齒盤旋轉(zhuǎn)以o1為圓心 為了保證測試精度 要求安裝時兩個圓心一定同心。若在測速齒盤偏心狀態(tài)下 即使曲軸沒有發(fā)生扭振 在傳感器上會得到偽扭振值。偽扭振信號會對發(fā)動機的真實的激勵信號產(chǎn)生的扭振信號產(chǎn)生影響 導(dǎo)致試驗結(jié)果的不真實。

3.3 測試內(nèi)容

通過以上理論分析 對2款四沖程發(fā)動機在試驗臺架上進(jìn)行了扭振測試 試驗儀器和設(shè)備主要包括：轉(zhuǎn)速信號拾取系統(tǒng)（測速齒盤和磁電式測速傳感器） Lms瞬態(tài)噪聲振動測量系統(tǒng) 裝有QTV板的SCADASⅢ采集前端和計算機。

在發(fā)動機試驗臺架上 測量發(fā)動機曲軸前端（皮帶輪）處的扭轉(zhuǎn)振動角度。試驗工況為節(jié)氣門全開、發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1000r/min開始均勻加速到額定轉(zhuǎn)速。得到曲軸前端扭轉(zhuǎn)振動角度隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和振動頻率的變化關(guān)系。

3.4 試驗方法

（1）預(yù)熱 使水溫達(dá)到工作溫度 機油溫度85℃±5℃。

（2）起動采集前端和計算機 檢查系統(tǒng)是否連接好。

（3）設(shè)定測量采樣參數(shù)。

（4）將發(fā)動機調(diào)到1000rpm 起動QTV測量 將轉(zhuǎn)速從1000rpm緩慢調(diào)到5500rpm 完成自動測量。

（5）關(guān)閉發(fā)動機 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4 試驗結(jié)果分析

在測試中保持A、B兩款發(fā)動機轉(zhuǎn)速勻速變化 得到以頻率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速為x、y坐標(biāo) 以扭轉(zhuǎn)角度為z坐標(biāo)的瀑布圖如圖2、圖3所示。

（1）轉(zhuǎn)速-頻率瀑布圖上可以看出 A、B兩款發(fā)動機的最大角振動幅值出現(xiàn)第1階、第2階諧量 以第2階諧量為最大 最大值出現(xiàn)在低速低頻區(qū)。

（2）把兩個瀑布圖沿斜線切開 得到扭振角度在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的諧次振動曲線 如圖4、圖5所示 可以看出兩款發(fā)動機第2階諧量振動都是在1000r/min時最高 隨著轉(zhuǎn)速的增高而迅速下降。在2000r/min附近達(dá)到基本穩(wěn)定 在2000r/min以上范圍內(nèi)維持比較小的振動。

（3）在A款發(fā)動機的瀑布圖上可以看出 該發(fā)動機在290-360HZ間發(fā)生共振。這也導(dǎo)致A款發(fā)動機的扭振情況較B款發(fā)動機的強烈。

5 結(jié)論

以等分測試齒盤為發(fā)動機扭振測試的信號測量齒盤 在保證安裝精度的情況下 對2款四沖程發(fā)動機進(jìn)行了測試分析 測試結(jié)果可以為正在研發(fā)的發(fā)動機性能改善提供指導(dǎo)和幫助。

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