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1、湖北汽车工业学院湖北汽车工业学院HUBEI UNIVERSITY OF AUTOMOTIVE TECHNOLOGY毕毕 业业 设设 计计 论论 文文题目题目EQ6102 发动发动机曲机曲轴轴的扭振的扭振计计算算班号班号T843-6专业专业热热能与能与动动力工程力工程学号学号20080430628学生姓名学生姓名范声武范声武指导教师指导教师黄流黄流军军汽车工程系汽车工程系湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文II摘要随着人们生活水平的提高，对交通工具的要求已经由原来的快捷性第一转化成舒适性第一，这就对内燃机行业的减振降噪提出了更高的要求。人们对振动噪声控制的要求日益严格，促使人们对内燃机
2、振动问题的研究给予更多的关注。为了适应这种矛盾和市场商品的激烈竞争，近年来国内外对内燃机振动控制进行了大量分析和研究工作。本文介绍了AVL 公司开发的发动机模拟软件Excite-Designer的功能和特点。利用该软件建立了曲轴扭振计算的仿真模型，在Excite PowerUnit模块中对曲轴进行了模态分析，在Excite-Designer模块中对曲轴进行了扭振计算。最后基于该软件对轴系进行了扭振与减振分析, 并提出了相应的减振措施。关键词关键词: : 内燃机；模拟软件；曲轴；扭转振动；减振措施湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IIIAbstractwith the improve
3、ment inthe standard of peoples living, the cosiness of the vehicle has replaced the celerity and becomes the first need. It requests more on how to reduce the total noise and vibration for the internal combustion engine. people are increasingly stringent to the control requirements of noise and vibr
4、ation, it will encourage people to pay more attention to the internal combustion engine vibration problem In order to adapt to this contradiction and the fierce competition of market goods, in recent years, mang domestic and foreign experts do some analysis and research work about the control of the
5、 internal combustion engine vibration.This paper introduces the function and characteristics of the EXCITE- designer software developed by AVL Corporation. Using the software establishes the crankshaft vibration calculation simulation model, In Excite PowerUnit module the modal analysis of the crank
6、shaft has been done and in Excite-Designer module the torsional vibration of the crankshaft has been done .The torsional vibration of crankshaft system was analyzed finally by this engine simulation software. The vibration reducing measures were brought forward.Key words: IC engine; simulation softw
7、are; crankshaft; torsional vibration; vibration reducing measure 湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文IV目录摘要摘要 IIIIAbstractAbstract IIIIII1 1 绪绪 论论 1 11.1 课题的提出及意义11.2 汽车发动机曲轴系扭转振动的研究现状21.2.1 模拟分析研究 21.2.2 试验研究 42 2 模型的建立模型的建立 5 52.1 在 Excite PowerUnit 模块中仿真模型的建立.6图 2-1-1 Excite PowerUnit 模块中的仿真模型 .62.1.1 仿真控制参数选
8、择的输入 72.1.2 连杆轴承的参数输入 82.1.3 主轴承的参数输入 82.1.4 止推轴承的参数输入 92.1.5 连杆的参数输入 .102.1.6 活塞的参数输入 .112.1.7 曲轴的参数输入 .112.2 曲轴的模态分析.162.2.1 曲轴的七阶模态仿真图 .162.2.2 曲轴的八阶模态仿真图 .172.3 在 Excite-Designer 模块中仿真模型的建立.172.3.1 全局数据的输入 .182.3.2 仿真控制参数选择的输入 .212.3.3 活塞的参数输入 .232.3.4 连杆的参数输入 .23湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文V2.3.5 活塞
9、销的参数输入 .242.3.6 仿真结果的控制 .263 3 曲轴扭振结果分析曲轴扭振结果分析 27273.1 当量扭振系统图.273.2 各元件的转动惯量和扭转刚度.273.3 各阶扭振模态.283.4 固有频率与发动机转速的简谐关系曲线（即临界转速图）.293.5 转矩振幅幅值随阶数变化的直方图（发动机转速为 1000rpm 时）.293.6 减振器损耗功率和等效阻尼.303.7 减振环扭转位移.323.8 减振环振动能量.333.9 减振榖的扭转位移.343.10 飞轮的扭转位移353.11 主轴颈 1 的扭转位移363.12 主轴颈 2，主轴颈 3 的扭转位移 373.13 速度的不均
10、匀性383.14 平均动力矩393.15 曲柄销 1 的剪切应力403.16 曲柄销 2 的剪切应力413.17 主轴颈 1 在第 4 阶谐量时幅值与发动机转速的关系423.18 曲柄 1 在第 1 阶谐量时扭振幅值与发动机转速的关系424 4 减少曲轴扭振的措施减少曲轴扭振的措施 44445 5 结论结论 4646致谢致谢 4747参考文献参考文献 4848湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文11 绪 论1.1 课题的提出及意义Excite-Designer 是AVL 公司开发的汽车、发动机系列模拟软件的一个模块, 用于往复活塞式内燃机曲柄连杆机构的模拟计算, 既可以用于初期开发,
11、 也可以对现生产机型进行校核, 改进设计。它具有易使用的友好界面、模块化及灵活的后处理功能, 能完成的计算任务包括: 曲轴扭振计算、曲轴强度计算、液体动力轴承计算, 据此进行曲轴优化设计。计算分析过程如图1所示：图1 Excite-Designer的计算任务和分析过程在实际使用过程中,人们经常会发现当车用发动机达到某一转速时,运转速度变得很不均匀,性能变坏。轻则产生大的噪声,使磨损加剧;重则使曲轴断裂。其原因主要是由于曲轴发生了大幅度的扭转振动,即当轴系达到某一转速时施加在曲轴上的周期变化的扭矩与曲轴本身振动频率发生共振,此时会造成曲轴扭转变形大大超出正常值。因此,无论在设计改进还是在维修诊断
12、分析中,必须对轴系的扭转振动特性进行计算分析,以确定其湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文2临界转速振型振幅所传应力,以及是否需要采用减振措施。当柴油机曲轴轴系内有零件出现扭转疲劳破坏时, 如曲轴扭断、凸轮轴、主轴瓦剥落烧损、正时齿轮、飞轮螺栓或其他附件的损坏, 应考虑对柴油机轴系进行扭转振动分析, 确定是否由于轴系扭振强度过大造成。因此，对曲轴进行扭振计算与分析具有一定的学术价值和实际意义。1.2 汽车发动机曲轴系扭转振动的研究现状1.2.1 模拟分析研究在早期的曲轴振动研究中，由于技术水平的限制，曲轴是按绝对刚性体来处理的。从 19 世纪末到 20 世纪初，各种关于断轴事故的分析
13、报告和文章逐渐出现，人们对轴系的扭转振动的研究也逐渐深入。1916 年德国工程师盖格尔（Geiger）发表了用机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振动的文章后1，轴系扭转振动的研究开始了实测和试验的阶段。1921 年德国学者霍尔兹（Holzer）提出了用一种表格法（通称霍尔兹法）来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动的固有频率和振型，并可应用于强迫振动，后来的研究者如 Timoshenko、Tuplin 等相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法的基础上进一步发展了扭转振动分析的方法，将曲轴简化为质量圆盘系统，并采用等效当量阻尼，因而更接近于实际工况。60 年代，国外学者大量采用点传递矩阵和场传递矩
14、阵的方法来研究曲轴的振动，通常称为传递矩阵法或 Myklestad-Prohol 法2。70 年代，Doughty 等采用扩展了的传递矩阵（Extended Transfer Matrix）法来分析有阻尼的曲轴振动，并用Newton-Raphson 迭代法求解复数固有频率，在传递矩阵计算中，当轴系支撑过多、频率较高时，可以使用 Riccati 法来改善由于矩阵病态而可能发生的数值不稳定的现象3。传递矩阵法的优点是矩阵的维数不随系统自由度的增加而增加,且各阶振型的计算方法完全相同。因而计算简单、编程方便，计算所需的内存少、耗用机时短，从而被广泛地应用于曲轴振动问题的分析与研究。但这种方法的不足之
15、处是在分析自由度较多的复杂轴系时，由于传递矩阵误差的积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度较低4。80 年代初期，日本学者提出了消阻法（Reduced Impedance Method）以及动态刚度矩阵法（Dynamic Stiffness Matrix）来分析离散或连续体曲轴的扭转振动5 67。为湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文3了快速而准确的预测曲轴在周期运动中的扭转应力，Peter.J 等应用了模态分析技术。由于模态分析法减少了系统的自由度，所以计算所耗机时及内存均不太高，如果子系统划分得比较合理，那么其计算精度也是令人满意的。此外，模态分析法还可与试验研究相结合，通
16、过实测轴系振动的传递函数，从而得到系统的振动模态参数(其中包括固有频率、振型、阻尼、模态惯量、模态刚度等)。80年代后期，随着计算机技术的飞速发展，各种有限元软件（如NASTRAN、ANSYS 等）的相继出现，用有限元的方法在曲轴动力学分析中得到了广泛的应用，这是目前公认的精度最高的计算方法。为了解决有限元分析计算精度可比性和计算成本等问题，Nadolsk 等将弹性波理论应用于曲轴轴系的振动问题分析，此方法是一种比较快速并且较精确的振动分析方法。近年来，对曲轴动力学特性分析的研究变得越来越广泛和深入。许多学者运用有限元法、试验方法和动力刚度矩阵方法研究了曲轴的振动特性以及曲轴振动与机体振动之间的关系。大众汽车公司在改European 1.9LTD（Iturbodieselinjection）发动机的过程中广泛的使用了有限元方法来分析和设计曲轴。在此基础上 Athavale 等人采用集成参数的有限元
