曲軸轉速波動對某柴油機正時齒輪系動力學特性的影響

薛爽　畢玉華　賈德文　宋國富　雷基林

摘 要： 為了研究曲軸轉速波動對正時齒輪動力學性能的影響，分別建立曲軸動力學模型與正時齒輪系動力學模型，在測試的基礎上，研究了齒輪嚙合沖擊力隨轉速波動的變化規律，以及曲軸加裝減振器前后的齒輪系沖擊力與頻域嚙合力的變化。研究表明：隨著轉速的增加，轉速的波動幅度增大，齒輪的最大沖擊力增大，轉速從1 000 r/m到3 000 r/m時，曲軸齒輪所受最大沖擊力增大了近5倍。曲軸加裝減振器后，各個齒輪沖擊力平均減小了60%。曲軸的轉速波動是導致該柴油機正時齒輪受到高沖擊載荷的主要原因。

關鍵詞： 齒輪系動力學； 曲軸轉速波動； 嚙合沖擊力； 頻譜分析

中圖分類號： TN911?34； TH132.41 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）10?0035?04

Abstract： The dynamics models of crankshaft and Timing gear train were established for analysing the crankshaft speed ??fluctuation on the timing gear dynamics performance. On the basis of test， the variation of gear meshing impact force with the rotate speed fluctuation was analyzed， and the variation of gear impact force and frequency?domain engaging force was compared before and after adding crankshaft vibration damper. The research result shows that the amplitude of speed fluctuation increases with the increase of the rotate speed， and the maximum impact force is increased by nearly 5 times when the diesel engine speed is increased from 1000 rpm to 3000 rpm. Each gear impact force decreased by 60% in average after installing the shock absorber on the crankshaft. The crankshaft speed ??fluctuation is one of the important factors affecting the timing gear dynamics characteristics of diesel engine.

Keywords： gear train dynamics； crankshaft speed ??fluctuation； meshing impact； frequency analysis

柴油機的正時驅動機構控制著配氣機構、噴油泵以及液壓油泵等裝置的正時，是柴油機準確工作的保證。由于齒輪嚙合的工作特點，導致齒輪傳動具有嚙合沖擊大、不平穩、噪聲大等缺點。研究表明：齒輪嚙合時的沖擊載荷是靜態載荷的數倍[1]，齒輪的負載與沖擊頻率對齒輪的噪聲輻射特性影響較大 [2]。在1 000 Hz以下齒輪系動態特性對噪聲影響較大[3]。

由于齒輪高速旋轉的工作特點，對齒輪進行動力學實驗有著諸多的困難，隨著虛擬樣機技術的發展，很多學者采用動力學仿真的方法對齒輪工作特性進行研究。辛辛那提大學的Tao Peng 與 Teik C. Lim運用了多體動力學的方法分析了雙曲面齒輪在高轉速工況下及支撐剛度影響下的非線性動態特性[4]；中南大學黃中華給出了基于Hertz 接觸理論的齒輪嚙合傳動時輪齒碰撞力的計算方法[5]；天津大學畢鳳榮等提出了一種基于MSC?ADAMS平臺上對漸開線齒輪嚙合動態仿真方法[6]。

柴油機具有周期性爆發的工作特點，曲軸輸出轉速是不均勻的。為了研究曲軸轉速波動負載對正時齒輪動力學特性的影響，建立曲軸動力學模型與正時齒輪系動力學模型，通過對曲軸動力學的計算，獲得正時齒輪系動力學模型的外部激勵即曲軸轉速波動負載。本文研究了柴油機不同轉速下的轉速激勵對柴油機正時齒輪沖擊力大小的影響，并對比分析了曲軸加裝減振器前后正時齒輪系動力學的計算結果，為正時齒輪系動力學性能的優化提供依據。

1 齒輪嚙合原理

根據齒輪嚙合理論，正時齒輪動力學特性影響因素可以分為內部影響因素和外部影響兩類。內部影響因素主要是齒輪的嚙合剛度、嚙合阻尼、齒側間隙、齒輪盤的轉動慣量、加工與安裝誤差導致的齒輪之間的傳遞誤差；外部影響因素為主動輪的外力矩與從動輪的負載轉矩引起的嚙合沖擊[8]。

2 齒輪系動力學模型建立

2.1 正時齒輪參數

所研究的柴油機正時齒輪系見圖1，柴油機的輸出動力通過曲軸正時齒輪傳遞給整個正時齒輪系，并控制著配氣正時、噴油泵與高壓油泵。各個齒輪均為斜齒輪，模數為3，齒形角為20°，螺旋角為16°，齒根高3.75 mm，齒寬24 mm，齒輪參數如圖1所示。

曲軸加裝減振器后，各個齒輪的頻域嚙合力都大幅降低，如圖9所示，各個齒輪在1 000 Hz以內的嚙合頻域力由最高的220 N降到40 N以下。這是由于減振器阻尼衰減的作用降低了曲軸的扭轉幅值，從而減小了對齒輪系的輸入激勵。距轉速激勵端最近的曲軸齒輪頻域嚙合力相比負載端齒輪減小的較為明顯，這主要是負載端齒輪所受負載轉矩的激勵作用導致的。

5 結 語

通過對正時齒輪系動力學計算結果的對比分析，可以得出以下結論：

（1） 柴油機在1 000 r/m到3 000 r/m時，曲軸正時齒輪的嚙合沖擊力增大了近5倍，這主要是由于轉速波動隨發動機轉速隨轉速的升高而大幅增加導致的。

（2） 曲軸加裝減振器后，轉速波動最大幅值減小了近50%，而各個齒輪的最大沖擊力平均降低了60%以上。各個齒輪的頻域沖擊力在加裝減振器后，均下降到了40 N以下。

（3） 曲軸的轉速波動是導致該柴油機正時齒輪受到高沖擊載荷主要因素，并影響著齒輪沖擊力的變化規律。

參考文獻

[1] 張土軍，滕旭東，劉志優.發動機齒輪與軸承失效分析[J].失效分析與預防，2011（2）：109?114.

[2] 周建星，劉更，吳立言.轉速與負載對減速器振動噪聲的影響研究[J].振動與沖擊，2013，32（8）：193?198.

[3] 李一民，郝志勇，葉慧飛.柴油機正時齒輪系動力學特性分析[J].浙江大學學報，2012，46（8）：1472?1497.

[4] PENG Tao， LIM T. Coupled multi?body dynamic and vibration analysis of high?speed hypoid geared rotor system， SAE 2007?01?2228 [R]. USA： SAE， 2007.

[5] 黃中華，張曉建，周玉軍.漸開線齒輪嚙合碰撞力仿真[J].中南大學學報，2011，42（2）：379?382.

[6] 畢鳳榮，崔新濤，劉寧.漸開線齒輪動態嚙合力計算機仿真[J]. 天津大學學報，2005，38（11）：991?995.

[7] 王炎，馬吉勝，蒙剛，等.基于虛擬樣機的齒輪系統非線性扭轉振動分析[J].機械工程師，2007（11）：23?25.

[8] 王建軍，李潤方.齒輪系統動力學的理論體系[J].中國機械工程，1998（12）：55?58.

[9] 杜巍，劉福水.多缸柴油機轉速波動與燃燒不均勻性的相關性[J].農業機械學報，2010，41（2）：17?20.

[10] 程鵬，郭英男.HCCI內燃機瞬時轉速波動的試驗研究[J].拖拉機與農用運輸車，2005（5）：22?26.

5 結 語

通過對正時齒輪系動力學計算結果的對比分析，可以得出以下結論：

（1） 柴油機在1 000 r/m到3 000 r/m時，曲軸正時齒輪的嚙合沖擊力增大了近5倍，這主要是由于轉速波動隨發動機轉速隨轉速的升高而大幅增加導致的。

（2） 曲軸加裝減振器后，轉速波動最大幅值減小了近50%，而各個齒輪的最大沖擊力平均降低了60%以上。各個齒輪的頻域沖擊力在加裝減振器后，均下降到了40 N以下。

（3） 曲軸的轉速波動是導致該柴油機正時齒輪受到高沖擊載荷主要因素，并影響著齒輪沖擊力的變化規律。

參考文獻

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5 結 語

通過對正時齒輪系動力學計算結果的對比分析，可以得出以下結論：

（1） 柴油機在1 000 r/m到3 000 r/m時，曲軸正時齒輪的嚙合沖擊力增大了近5倍，這主要是由于轉速波動隨發動機轉速隨轉速的升高而大幅增加導致的。

（2） 曲軸加裝減振器后，轉速波動最大幅值減小了近50%，而各個齒輪的最大沖擊力平均降低了60%以上。各個齒輪的頻域沖擊力在加裝減振器后，均下降到了40 N以下。

（3） 曲軸的轉速波動是導致該柴油機正時齒輪受到高沖擊載荷主要因素，并影響著齒輪沖擊力的變化規律。

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