發動機曲軸的扭轉振動分析

張震

【摘 要】曲軸的振動是影響內燃機生產、設計、制造和使用中的一個很重要因素。曲軸的振動本質上是三維形式的振動，隨著人們對曲軸振動的認識和要求，不僅扭轉振動是人們研究的主要內容之一，彎曲振動、縱向振動也是研究的重要內容。曲軸振動不但和引起振動的激勵有關，而且和曲軸系的動態特性密切相關。文章針對內燃機軸系扭振的危害、產生機理和實驗與理論的建立過程及實驗與理論結果的比較，以及改善扭振的方法，等方面進行了較為全面的闡述，為認識內燃機軸系扭振提供了較為全面的參考信息。

【關鍵詞】內燃機；曲軸；扭振

一、曲軸扭轉振動原因簡析

內燃機曲軸裝置之所以產生扭轉振動，其內因是曲軸本身不但具有慣性，而且還有彈性，由此確定了曲軸本身固有的自由扭振特性。而其外因則是作用在曲軸上周期性變化的激振力矩，例如：大爆發壓力的活塞慣性力、曲柄連桿機構的慣性力和重力、附件的不規則阻力矩和外界反作用力，這些力矩是曲軸產生扭振的能量來源，只要機器在運行，這些激振力矩就存在，強迫扭振就持續發生，使得曲軸在運轉時產生劇烈的振動。激振力矩的頻率、幅值等都對強迫振動的振幅起到極其重要的作用。曲軸按照激振的頻率進行強制振動，當激振頻率與曲軸本身的固有頻率相同時，就會產生共振。當扭振應力超過軸系所能承受的應力時，曲軸將產生斷裂。所以控制曲軸扭轉振動是內燃機工作者的工作重點之一。

燃機工作時，可燃混合氣在氣缸內燃燒。由于燃燒時火焰傳播速率很快，氣缸內產生壓力波的沖擊與疊加，因此在上止點附近產生很高的爆發壓力（壓縮點火式發動機的最大爆發壓力約90～160個大氣壓；火花點火式發動機的最大爆發壓力相對小一些）和壓力升高率（壓縮點火式發動機的壓力升高率約4～10個大氣壓/曲軸轉角）。這些高頻大幅振蕩的壓力波作用在活塞頂面和氣缸上，因而產生燃燒噪聲和軸系與發動機整機的振動。

由于燃燒過程是周期性的，每循環氣缸壓力變化曲線可以用一系列不同振幅和相位的正弦波疊加合成。可以看出氣缸壓力不僅在低頻的振幅很大，在高頻振幅也很大。當激勵力作用在活塞和氣缸體時引起整機和曲軸的振動，并輻射出噪聲。

二、內燃機曲軸扭振介紹

（一）內燃機類型

現代的內燃機是交通工具中不可缺少的一部分，不僅在交通工具中有著廣泛的應用，工農業生產以及防國防方面也有著不可替代的作用。

內燃機種類繁多，分類可以按照不同的方是來分：按所用燃料來分，分為汽油機，柴油機，雙燃料發動機等等，如今內燃機有柴油化的趨勢。按缸內著火方式分有壓燃式和點燃式兩種，汽油機為點燃式，柴油機為壓燃式。按活塞沖程數來分，分為四沖程和二沖程。摩托與小型用機多為二沖程。

在這么多種類的內燃機中，在六缸以上內燃機的軸系扭轉振動問題比較突出，因此我們研究的對象多為六缸以上的內燃機。

（二）內燃機曲軸扭轉振動

內燃機的曲軸扭轉振動主要是因為有激振力矩作用于曲軸，使之產生了扭轉振動。這種扭轉振動是強迫性的，不是曲軸本身所決定的。在內燃機裝置中，汽缸內氣體的壓力，曲柄連桿機構的重力及其慣性力對曲軸都會產生周期性變化的激振力矩，這些激振力矩都是曲軸扭轉振動的振源。在內燃機中，這些激振力矩對于低速重型柴油機有必要考慮而對于一般中小型內燃機的影響并不大。因此我們考慮內燃機曲軸扭轉振動是大多數都是考慮六缸以上的內燃機。

（三）內燃機曲軸扭轉振動的危害

內燃機曲軸振動是引發發動機結構和動力裝置振動及噪聲的主要激勵源、而扭轉振動是內燃機上研究得最早也是危害最大的振動問題.因而在內燃機設計時必須進行扭振計算。

內燃機的曲軸軸系是一個彈性系統，若給以初激扭矩，便會產生周期性的扭轉彈性變形，這就是自由扭轉振動。若給軸系一個同期變化的干擾力矩，軸系即按干擾力矩的頻率作強迫扭轉振動。若干擾力矩的頻率和軸系的固有頻率相同時，軸系則將產生高振幅的扭轉共振。一旦發生共振，則會使軸系零件磨損加劇，噪音驟增，加速材料疲勞，甚至斷曲軸。

（四）改善扭振的方法

通常采用改變軸系柔度、調整干擾力矩、附加振動系統以及加裝減震器等法來改善扭振。加裝減震器是吸收振動最直接有效的方法。

其中，作為傳統的減振辦法是采取被動的隔振技術（如加橡膠墊等等），被動式減振器的設計對其頻率參數和阻尼參數有嚴格的要求，這兩個參數是根據所謂最優條件確定的，但由于減振器設計制造和使用材料等方面的原因，很難保證實際使用的減振器參數處于最佳。另外，影響被動式減振器效果的還有一個最根本的原因就是它的性能不能根據干擾頻率的變化自動調節，而只能依靠確定一組所謂最佳的設計參數，使減根器在內燃機整個工作頻率范圍內折中地滿足主系統扭振幅值在一個允許的范圍內，因而效果始終不理想。

三、結語

自七十年代以來隨著現代控制理論的發展和計算機技術的應用，測試技術與設備精度的提高，主動控制減振技術開始得以應用，其原理是：利用主動振動控制是指在振動控制過程中，根據所檢測到的結構振動，應用一定的控制策略經過實時計算，從而驅動作功器對結構施加一定的影響（比如力、力矩），有效地控制軸系的扭振響應，達到抑制或消除結構振動的目的。主動振動控制由于其良好的控制效果，以及對不同結構的適應能力獲得了廣泛的應用。

參考文獻

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