耐久試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振的影響研究

高培龍，盧洪英，嚴(yán)麗麗，劉華軍，辛海霞（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

耐久試驗(yàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭振的影響研究

高培龍，盧洪英，嚴(yán)麗麗，劉華軍，辛海霞
（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭振是影響整車舒適性的一個(gè)重要方面。其中，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)大小的影響因素有很多，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)和沖程、發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、缸內(nèi)的燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的形狀和質(zhì)量都會(huì)對(duì)扭振產(chǎn)生影響。情況表明，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過耐久試驗(yàn)后使扭振角度幅值增大。經(jīng)分析，曲軸皮帶輪、張緊器，正時(shí)皮帶和皮帶輪 V帶是耐久后影響扭振角度的主要因素。

發(fā)動(dòng)機(jī)；扭振；耐久；影響因素

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.004

CLC NO.: U467.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-10-03

引言

眾所周知，汽車已經(jīng)成為人們生活不可缺少的一部分。在汽車行業(yè)的如火如荼發(fā)展的同時(shí)，為了滿足汽車高性能的匹配需求，動(dòng)力總成技術(shù)也在飛速發(fā)展。隨著人們生活水平的提高，人們不但關(guān)注轎車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，而且對(duì)轎車的舒適性要求越來越高，而發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭振則是影響整車舒適性的一個(gè)重要方面。

曲軸扭振，顧名思義，就是由于曲軸各軸段承受著周期性變化的激勵(lì)而造成的各軸段相互扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)。扭振包括兩方面，第一方面是在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下，主要表現(xiàn)為滾振，由于激勵(lì)呈現(xiàn)周期性變化，導(dǎo)致的反應(yīng)就是曲軸的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了存在曲軸扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)時(shí)的角度差。當(dāng)然的，扭轉(zhuǎn)的角度差越大，危害也就越大。第二方面是在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，主要表現(xiàn)為曲軸扭振。由于曲軸整體轉(zhuǎn)動(dòng)的不平穩(wěn)和各軸段的相互扭轉(zhuǎn)，此時(shí)，當(dāng)外界的激勵(lì)的頻率與曲軸的固有頻率相同時(shí)，曲軸的扭轉(zhuǎn)變形幅值將會(huì)很大，即產(chǎn)生共振。此時(shí)將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命和安全性，如果繼續(xù)在這一情況下工作，則可能發(fā)生斷軸、主軸瓦損壞等一系列惡性事故。許多研究表明扭振是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸損壞的主要原因，因此分析研究發(fā)動(dòng)機(jī)軸系扭振、做扭振試驗(yàn)就顯得尤為重要。

扭振的影響因素有很多，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)和沖程、發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷、缸內(nèi)的燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的形狀和質(zhì)量都會(huì)對(duì)扭振產(chǎn)生影響。最近發(fā)現(xiàn)，DAE有某款發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型經(jīng)過耐久試驗(yàn)后曲軸旋轉(zhuǎn)非常不平穩(wěn)，扭振角度與新機(jī)器相差很大，扭轉(zhuǎn)角度幅值增大。經(jīng)CAE仿真分析，初步確定為曲軸皮帶輪、張緊器、正時(shí)皮帶和皮帶輪V帶是發(fā)動(dòng)機(jī)耐久后使扭振變差的主要因素。本文重點(diǎn)研究的是扭振的第一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)耐久后是如何影響曲軸的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了扭轉(zhuǎn)角度幅值的變化。

1、本文的研究意義和內(nèi)容

1.1本文的研究意義

分析扭振最重要的方法就是最扭振試驗(yàn)，扭振試驗(yàn)的目的就是進(jìn)行扭振分析。扭振分析就是一種針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的信號(hào)分析手段，用于分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性。通過數(shù)采設(shè)備和轉(zhuǎn)速傳感器將采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的瞬態(tài)角速度、角加速度和角度幅值等信息，最終得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)結(jié)果。本文的意義就是以扭振試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)來找出發(fā)動(dòng)機(jī)耐久后扭振水平變差的因素。

圖1　扭振測(cè)試設(shè)備主機(jī)

圖2　編碼器

圖3　磁電轉(zhuǎn)速傳感器

1.2本文的主要研究?jī)?nèi)容

基于經(jīng)過耐久試驗(yàn)后使 DAE某機(jī)型前后扭振差距很大這個(gè)問題，經(jīng)CAE分析后，目標(biāo)初步鎖定曲軸皮帶輪、張緊器、正時(shí)帶和皮帶輪V帶為主要影響因素。為了驗(yàn)證，尋找耐久后發(fā)動(dòng)機(jī)扭振變差的因素，試驗(yàn)方案為對(duì)耐久后的這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)逐一更換上述零部件，通過數(shù)采設(shè)備測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)扭振水平，每一次的試驗(yàn)結(jié)果與耐久后狀態(tài)時(shí)相對(duì)比，通過圖像和數(shù)據(jù)的對(duì)比尋找驗(yàn)證是什么因素什么零部件使發(fā)動(dòng)機(jī)耐久后扭振產(chǎn)生很大影響。本文重點(diǎn)分析的是二階扭振角度曲線，由于二階是發(fā)動(dòng)機(jī)主點(diǎn)火階次，二階即為各階次中角度最大的階次曲線。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)耐久后對(duì)扭振的影響因素研究

2.1耐久后與新機(jī)器

對(duì)DAE的這款耐久后發(fā)動(dòng)機(jī)，首先測(cè)其曲軸V帶張緊力為120Hz，不改變其它任何狀態(tài)，做扭振試驗(yàn)，與先前此型發(fā)動(dòng)機(jī)新機(jī)器狀態(tài)下的扭振水平做對(duì)比。接著逐次更換曲軸皮帶輪、張緊器、正時(shí)帶、皮帶輪V帶，每更換完一次零部件，按照相同工況，相同狀態(tài)下做扭振試驗(yàn)。且每次更換零部件保證與耐久后初始狀態(tài)一致，已經(jīng)更換的零部件不再拆下。每次試驗(yàn)結(jié)果與耐久后狀態(tài)相對(duì)比看變化趨勢(shì)。

試驗(yàn)工況為全負(fù)荷從1000rpm上升到5500rpm，升速時(shí)間90s。耐久后與新機(jī)器的扭振試驗(yàn)結(jié)果，提取二階次角度-轉(zhuǎn)速曲線。轉(zhuǎn)速單位n/min，角度單位deg。試驗(yàn)結(jié)果如圖：

圖4　耐久后與新機(jī)器對(duì)比

整體上看，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)耐久后最大角度增大 0.21°，占比12%。結(jié)論：經(jīng)耐久后,發(fā)動(dòng)機(jī)扭振角度幅值變大，扭振更劇烈。

2.2耐久后與更換曲軸皮帶輪

將耐久后的發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸皮帶輪拆下，更換上新的曲軸皮帶輪，保持皮帶輪V帶張緊力120Hz不變。前后結(jié)果對(duì)比如下：

圖5　耐久后與更換曲軸皮帶輪

更換皮帶輪之后，角度下降0.04°，占比2%。結(jié)論：更換曲軸皮帶輪之后，角度有小幅下降。

2.3耐久后與更換張緊器和正時(shí)帶

再次更換張緊器和正時(shí)帶后，前后對(duì)比如下圖所示：

圖6　耐久后與更換張緊器正時(shí)帶

更換張緊器和正時(shí)帶后，角度下降0.11°，占比6%。結(jié)論：更換張緊器和正時(shí)帶后，扭轉(zhuǎn)角度幅值有所下降，扭振有改善。

2.4耐久后與更換皮帶輪V帶

圖7　耐久后與更換皮帶輪V帶

更換皮帶輪V帶后，試驗(yàn)結(jié)果如下：更換皮帶輪V帶后，角度下降0.25°，占比14%。結(jié)論：更換皮帶輪V帶后，扭振角度幅值顯著下降。

2.5新機(jī)器與全部更換

圖8　新機(jī)器與全部更換（即更換完皮帶輪V帶）

結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)耐久后扭振角度幅值變大。將曲軸皮帶輪、張緊器、正時(shí)帶、皮帶輪V帶都更換新件之后，扭振水平基本恢復(fù)到新機(jī)器水平，與CAE仿真結(jié)果計(jì)算吻合。其中，皮帶輪對(duì)耐久影響貢獻(xiàn)最小，張緊器和正時(shí)帶有所貢獻(xiàn)，曲軸皮帶輪V帶對(duì)耐久后扭振角度幅值變大影響最大。發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過耐久后，輪系部件疲勞老化，皮帶磨損嚴(yán)重，固有屬性有所變化，易出現(xiàn)打滑，抖動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)扭振影響較大，相應(yīng)扭振角度幅值會(huì)變劇烈。

表1　更換零部件各狀態(tài)下對(duì)扭振的影響

3、總結(jié)與展望

3.1總結(jié)

本文首先提出了發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)耐久后扭振變壞這個(gè)問題，接著以發(fā)動(dòng)機(jī)扭振試驗(yàn)為基礎(chǔ)，與CAE仿真計(jì)算相結(jié)合，通過逐一更換零部件驗(yàn)證了是曲軸皮帶輪、張緊器、正時(shí)帶和皮帶輪V帶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久后扭振變差產(chǎn)生的影響。輪系部件及皮帶疲勞老化對(duì)扭振影響較大，防疲勞和減振是降低扭振的主要方向。

3.2展望

發(fā)動(dòng)機(jī)扭振一直是一個(gè)重要的課題，至今我們?nèi)匀挥泻芏鄦栴}沒有解決，很多難關(guān)沒有攻克。但是我們不會(huì)氣餒，不會(huì)停止腳步，我們必然會(huì)在這方面投入更多精力，多做試驗(yàn)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

[1] 徐新天.扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振及預(yù)防措施[J].武漢造船,1999(01).

[2] 胡旭剛.柴油機(jī)扭振監(jiān)測(cè)方法研究[D].武漢理工大學(xué),2008.

[3] 于學(xué)華.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析[J].設(shè)計(jì)·計(jì)算·研究,2008 (03).

The research on the influence of the torsional vibration after the
engine endurance test

Gao Peilong, Lu Hongying, Yan Lili, Liu Huajun, Xin Haixia
( Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd., Heilongjiang Harbin 150060 )

Engine crankshaft torsional vibration is an important aspect of the impact of vehicle comfort. Among them, the torsional vibration factors have a lot of size, number of cylinders of the engine and stroke, engine load, in-cylinder combustion engine components will affect the shape and quality of the torsional vibration. Circumstances indicate that the engine after the endurance test so torsional vibration level increases. After analysis, the crankshaft pulley, tensioner, timing belt, V-belt pulleys are the main factors affecting the torsional vibration of the engine durability.

Engine; Torsion; EnduranceFactor

U467.2

A

1671-7988（2015）12-10-03

高培龍，助理工程師，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中，研究方向?yàn)檎?臺(tái)架NVH試驗(yàn)。