汽車發動機曲軸縱向振動的研究

趙勇

摘要：在發動機運轉時，柔韌性和周期性的轉矩對發動機軸的時刻有曲軸的作用扭轉振動。軸系扭振能承受交變應力，但疲勞的積累就會造成曲軸的突然斷裂。再加上較低的固有頻率扭轉振動，容易引起共鳴，進而引起大的噪音，它的其他部分磨損加劇，甚至可能發生再次斷裂等嚴重損壞發動機曲軸事故。安裝曲軸扭振減振器是曲軸扭振控制的主要措施，通過對發動機曲軸扭振分析，采用合理有效的方式來設計配套曲軸扭振減振器具有十分重要的意義。

關鍵詞：扭轉振動；交變應力；共振；疲勞磨損

引言

隨著近些年來，人們生活水平的不斷提高，人均汽車擁有量也不斷提升。同時人們對于汽車的舒適性也提出了較高的要求，而汽車發動機曲軸縱向振動是最影響汽車綜合性能的因素，因此通過降低汽車發動機曲軸縱向振動，可以延長發動機的使用壽命。發動機的縱向振動一般非為兩類，一類是由于動平衡失調帶來的脈動循環，產生循環往復的慣性力和慣性力矩，引起發動機整體的振動。另一類是發動機本身在不同工況下工作時，由于力和力矩的波動所帶來的扭轉振動。因此改善發動機工作時產生的振動，提高發動機的設計水平具有十分重要的現實意義。

1.研究背景和意義

汽車在人們生活中扮演著重要的角色，豐富了人們的生活，方便了人們的出行。但是汽車卻容易因為發動機曲軸縱向振動而產生一些列問題，因此研究發動機曲軸縱向振動具有普遍的現實意義。經過該軸的扭轉振動引起的交變應力，在發動機運轉過程中并造成疲勞的積累過程中，最終將建立一軸或多軸系組件聯系的突然中斷，這突如其來的意外扭轉振動也使事故的后果已經嚴重，往往損失慘重。此外，由于較長的曲柄軸的扭轉剛度較小時，一個大的轉動慣量以及在扭轉振動容易激發的激勵頻率范圍的扭矩的固有頻率范圍內，產生共振現象，所以這是一個巨大的動態扭轉振動放大，從而引起較大的的噪音，曲軸斷裂的其它部分磨損增大將導致再次出現事故和嚴重的發動機損壞問題。發動機曲軸的扭轉振動系統，不僅影響其自身的動作，將被傳遞到傳動離合器、傳動軸、驅動橋，影響其工作壽命，甚至導致各種失效模式。可見，軸系扭轉振動是影響該軸的安全運行的一個重要問題，因此軸系扭振的研究具有重要的意義。

2.產生汽車發動機曲軸縱向振動的原因

所有的曲軸和旋轉機械都會產生振動。振動的產生是無法避免的，也不是曲軸本身的問題：經設計者（以及電動機設計者）設計的泵能承受正常限度內的振動。這些振動限度隨泵的類型、安裝配置、供電要求、旋轉速度以及泵送的液體等的差異而發生變化。汽車協會出版了美國國家標準協會（ANSI）所采用的一整套標準，其內容涵蓋了振動動力學、測量標準以及允許限度。該標準為ANSI/HI 9.6.4。確立基準參考值、確定限度以及將振動測量值并入預防性維修計劃等，通常將在振動引起重大故障或其他無法預知的后果之前保證泵的正常務。但是振動本身并不是"根本性問題"：振動由泵內部或系統內部的某個部件引起。由上述任一類原因引起的振動通常將導致其加劇達到一個將導致另一原因下出現故障的水平。

軸系設計計算、檢查計算以及事故分析和安全軸運行具有十分重要的的現實意義。完善可能造成后果的最直接和最有效的方法是以提高發動機的設計水平，使經過潤滑發動機的振動 更順暢，工作更加平穩。例如使用一個合理的多缸布局和依次順序排布，以保證動平衡。 然而，由于往復式發動機的運行特性，導致發動機的工作不是完全固定的，從并且使得只用一個曲軸來盡可能地減小從發動機的設計點這個工作是不穩定的，可能通過這種不均勻帶來了震動。造成的風險是由于生成的發動機軸扭振其主要是共振和其它傳動部件扭轉振動傳遞和放大等造成的，因此，有針對性的措施，是為了避免總振動，消除扭轉振動隔離。避免共振方法是盡量避免發動機曲軸的操作速度和曲軸的扭轉臨界轉速振動相吻合。安裝在曲軸的扭轉阻尼器是是主要措施以消除扭轉振動及隔離共振頻率。因此在利用設計使發動機曲軸扭振減振器合理采用有效的方法，具有十分重要的意義。

3.解決汽車發動機曲軸縱向振動的措施

為了平衡曲柄連桿機構因作功間隔大而產生的慣性力，設置了雙平衡裝置。要求裝配時，必須嚴格保證正時齒輪和平衡曲軸齒輪的所有記號一一對準。只有這樣才能使發動機慣性力平衡。保證發動機的平穩運轉。發動機曲柄連桿機構慣性力失衡導致雙平衡軸不起平衡作用，引起了發動機振動。

找I缸的壓縮上止點：將正時螺栓插入飛輪殼上的孔中，壓向飛輪。逆時針轉動曲軸，直到正時螺栓插入飛輪上的孔中，壓向飛輪。逆時針轉動曲軸，直到正時螺栓插入飛輪上的孔中，停止轉動。卸下氣門罩蓋，查看I缸的兩個氣門，如果I缸活塞處于壓縮行程的上止點位置，則兩個氣門都應該關閉，此時用手可以上下扳動搖臂。如果扳不動搖臂，則從飛輪上卸下正時螺栓，逆時針轉動曲軸3600。并裝上正時螺栓，此時為I缸壓縮行程的上止點（如果正時螺栓插入飛輪后，卸下高壓油泵的正時蓋，能夠將正時銷插入噴油泵凸輪槽中，也可以斷定此時I缸處于壓縮行程的上止點）。

在發動機曲軸箱的底部，中間一道大瓦的兩邊各有一螺栓孔，用手轉動平衡軸，當軸上的凹面部分對準螺栓孔時就擰入螺栓，以抵住平衡軸的凹面，使平衡軸不能轉動。將曲軸、平衡軸都定位后，再裝上機油泵，無需對正記號。最后，拆掉使平衡軸定位的螺栓即可。

4.結語

曲軸扭轉振動是最有害的發動機振動，扭轉振動的連續軸或軸系統上的零部件突然斷裂將導致嚴重的機械事故。此外，由于較低的軸振動的扭轉振動本身的固有頻率，容易產生共振，從而使動態扭轉振動被放大，引起更大的的噪聲。因此，軸系縱向振動問題是影響軸的安全運行的重要問題，對研究軸系扭振的研究具有非常重要的使用價值。

參考文獻：

[1]宋天相，王義，宋希庚等.長行程船用柴油機軸系軸向振動特性的分析.大連理工大學學報.1995.135（3）.

[2]傅魯華，呂興才，張寅豹.內燃機曲軸振動研究的內容及方法[J].拖拉機與農用運輸車， 2004，4：6-8.

[3]郝志勇，段秀兵，程金林.柴油機曲軸軸系的柔性多體動力學仿真分析[J]. 鐵道機車車輛， 2003， 23（S1）： 86-89.

[4]李震，桂長林，孫軍.內燃機曲軸軸系振動分析研究的現狀、討論與展望[J]. 內燃機學報， 2002， 20（5）： 469-474.