發動機扭振試驗有效性研究

裴偉， 康佐明， 張冬梅， 張暉， 張探軍， 李寧， 張興剛， 范育輝， 高英英

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

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發動機扭振試驗有效性研究

裴偉， 康佐明， 張冬梅， 張暉， 張探軍， 李寧， 張興剛， 范育輝， 高英英

(中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400)

分別采用兩種聯軸器和兩套支撐系統進行了發動機扭振試驗。試驗結果表明，臺架支撐系統和聯軸器會對發動機扭振試驗結果產生很大影響。通過理論分析發現，發動機采用不同支撐系統時，傳感器支架振動也會不同，從而造成扭振試驗結果存在差異。利用某發動機扭振仿真模型，提取影響系統扭振的因子，并進行敏感度分析，發現聯軸器主動端慣量是影響發動機扭振綜合幅值的主要參數。為保證扭振試驗有效性，建議應根據不同試驗目的，采用不同試驗設計方案。

發動機； 支撐系統； 聯軸系統； 扭振試驗； 有效性

扭振是造成發動機試驗臺架連接軸異響、發動機或測功機損壞、傳動系統破壞等問題的主要因素之一[1]，扭振一旦超過允許限值，將造成無法修復的損壞，因此發動機扭振試驗越來越受到廣大發動機研發機構的重視。扭振的出現不僅僅是某一個部件的問題，還與整個發動機臺架系統息息相關[2-4]，因此，一旦發生扭振問題，原因排除和故障鑒別比較困難。所以，對發動機試驗臺架進行扭轉振動的分析和測量，深入認識、掌握發動機試驗臺架扭振性質和特點，對確保發動機扭振試驗有效性具有較大意義[2]。

扭振試驗由德國人蓋格爾(Geiger)提出，到20世紀70年代基本上還以他提出的機械式扭振測試方法為主。隨著電子技術的發展，逐漸出現了非接觸式扭振測試裝置，基于數字信號處理技術的數字式扭轉振動測量儀于20世紀90年代開始出現。現階段國內外對發動機扭振試驗的研究主要集中在扭振計算方法、測試裝置設計、傳感器的安裝、信號處理方法、數據后處理方法等方面[5-8]。而國內發動機扭振試驗標準并不全面，多適用于船機和發電機組，尚無車用發動機扭振試驗標準，且未包含對發動機臺架系統的約束，因此，試驗中常出現同一發動機在不同試驗室進行扭振試驗時試驗結果差異較大，或試驗結果與仿真結果差異較大等問題。

本研究主要從發動機臺架支撐和聯軸兩個方面進行研究，提出了一些關于確保發動機扭振試驗有效性的建議。

1 試驗分析

典型發動機試驗臺架聯軸系統包括發動機、聯軸器和測功機，而對于一個發動機扭振試驗來說，發動機是被測件，因此本研究的聯軸系統主要為聯軸器和測功機。發動機支撐系統包括地基板、大支架和小支架，由于支撐系統均為剛性連接，因此可以看作一個整體進行分析。根據支撐形式的不同分為彈性支撐和剛性支撐。臺架組成見圖1。

圖1 發動機試驗臺架組成

試驗發動機為某型號直列4缸發動機，分別采用剛性支撐系統、彈性支撐系統和兩個型號的聯軸器開展扭振試驗。臺架組成與圖1相同，并在發動機自由端采用磁電傳感器進行扭振測量，試驗測試設備為LMS Test.Lab 6A，測量的頻率范圍為2～1 024 Hz，允許誤差為指示值的±5%，最大可調量程為±10°。由圖2至圖5可知，發動機自由端扭振綜合幅值均未超過0.4°，滿足發動機設計要求，其中采用聯軸器B時，1 900 r/min時扭振幅值出現大幅波動，這是由0.5諧次共振引起的，但扭振綜合幅值未超過發動機設計要求，不影響使用。

圖2 剛性支撐系統下聯軸器對扭振幅值的影響

圖3 彈性支撐系統下聯軸器對扭振幅值的影響

圖4 聯軸器A下支撐形式對扭振幅值的影響

圖5 聯軸器B下支撐形式對扭振幅值的影響

通過試驗發現，采用同一種剛性支撐時，不同聯軸器試驗結果偏差最大可達到21.85%，采用同一種彈性支撐時，不同聯軸器試驗結果偏差最大可達到29.2%，證明聯軸器選型對扭振綜合幅值影響很大。

采用聯軸器A時，不同支撐形式下試驗結果偏差最大可達到7.6%，采用聯軸器B時，不同支撐形式下試驗結果偏差最大可達到20.91%，說明支撐形式也會影響扭振試驗結果。

通過上述分析可知，不同的聯軸器和支撐形式都會對扭轉振動產生影響，而且影響程度不一樣，因此在開展扭轉振動試驗前，必須綜合考慮支撐系統和聯軸系統兩種因素，否則將影響扭振試驗的有效性。

由此證明，發動機扭振試驗與常規性能試驗相比，對支撐系統和聯軸系統的設計要求都較高，必須經過詳細的設計才能滿足試驗有效性要求。為了更深一步剖析該問題產生的原因，還需要對支撐聯軸系統進行必要的影響因素分解和機理分析。

2 影響因素機理分析

2.1 發動機臺架支撐系統對扭振試驗結果的影響

支撐系統在發動機扭振仿真中是不參與計算的，因此往往會忽略該影響因素，但從試驗分析結果中可以看出其影響也很大，對于該問題的分析，需要首先了解扭振的測試原理[9-11]。

發動機扭振測試常用磁電傳感器采集發動機軸系瞬時轉速信號，信號齒盤隨發動機曲軸旋轉時，傳感器前端與齒盤之間的間隙隨齒頂和齒底的交替而交替變化，使得通過線圈的磁通量交替變化，產生感應電動勢，即輸出信號。感應電動勢與磁通量成正比關系，根據法拉弟電磁感應定律，當線圈圈數為N時，感應電動勢的表達式為

(1)

若信號齒盤齒數為Z，發動機轉速為n，信號齒盤旋轉從齒頂到齒底相當于半個周期，因此Δt為

(2)

根據歐姆定律，半個周期的磁通量變化Δφ為

(3)

式中，傳感器的磁動勢Fm為固定值，齒頂的磁阻Rm齒頂約為齒頂與傳感器前端間隙為δ時的空氣磁阻，齒底的磁阻Rm齒底約為間隙δ與齒高h的磁阻之和。磁阻Rm表達式為

(4)

式中：μ為磁導率；S為磁路界面積。

(5)

由式(5)分析可知，間隙δ、齒高h和齒盤齒數Z3個參數均對輸出信號產生影響，而齒高h和齒盤齒數Z主要是受信號齒盤加工精度的影響，間隙δ除受安裝精度影響外，還與傳感器支架的振動相關。由于不同發動機支撐系統因為剛度不同會引起發動機的振動發生變化，而傳感器支架也隨發動機發生振動變化，從而影響齒頂與傳感器前端間隙。而根據國標規定的發動機振動測量評級方法，帶彈性支撐的發動機振動分級高于帶剛性支撐的發動機，因此彈性支撐發動機振動烈度高于剛性支撐發動機，這是發動機采用彈性支撐比剛性支撐影響程度大的主要原因。

此外，齒盤的齒數、齒高、齒盤加工精度和安裝精度等也是影響扭振測量結果的主要原因[12-15]，這些影響因素本研究不再進行詳細介紹，但這些因素同樣是發動機設計人員和試驗人員在開展發動機扭振試驗時必須考慮的問題。

2.2 發動機臺架聯軸系統對扭振試驗結果的影響

聯軸系統包括聯軸器和測功機，由試驗結果可知，聯軸器的選擇是影響發動機扭振試驗結果的重要因素之一。聯軸器具有緩沖和吸振性能，主要與其剛度和阻尼有關，選擇合適的聯軸器可以有效改善聯軸系統的固有頻率，是發動機試驗臺架聯軸系統匹配避免系統共振的主要方法[3]。由于發動機試驗很難將聯軸系統每個影響因素進行分解驗證，本研究采用仿真分析的方法，利用標定后的模型對影響因子進行分析。圖6示出試驗用發動機和聯軸器A的臺架軸系當量系統模型。

根據圖6所示的扭振仿真模型，對臺架聯軸系統的聯軸器和測功機進行進一步的因子分解，包括測功機慣量、聯軸器主動端慣量、聯軸器從動端慣量、聯軸器扭轉剛度、聯軸器阻尼。

1—皮帶輪； 2—曲軸前齒輪； 3—第一缸； 4—第二缸； 5—第三缸； 6—第四缸； 7—飛輪； 8—聯軸器主動端； 9—聯軸器從動端； 10—測功機圖6 某4缸發動機臺架軸系當量系統模型

利用已知試驗結果對仿真模型進行標定。如圖7所示，仿真結果與試驗結果趨勢一致，最大偏差15.91%，滿足CB/Z 214—85標準中規定的扭振計算結果與實測值的誤差不大于20%的要求，因此，該扭振仿真模型可以作為下一步因子分解和敏感度分析的依據。

圖7 某4缸發動機臺架扭振仿真與試驗結果對比

為了分析每個影響因子的敏感度，利用標定過的仿真模型，分別在其他影響因子不變的情況下每個因子減少50%，觀察扭振綜合幅值的變化a。再計算5個影響因子均減小50%后的扭振綜合幅值A，取每個因子變化50%后與它的比值進行敏感度γ分析，即γ=a/A。分析結果見表1。

表1 聯軸系統影響因子敏感度分析

由上表可知，影響程度最大的因子是聯軸器主動端慣量，其次為聯軸器扭轉剛度，但兩者的作用是相反的，其他因子影響相對較小。該結論說明，可以在不同的試驗室(測功機不同)開展發動機扭振試驗，但必須保證聯軸器主動端慣量一致，從而確保扭振試驗的有效性。

3 確保發動機扭振試驗有效性的建議

對扭振試驗結果有直接影響的測量系統設計、信號齒盤加工精度、齒盤齒數的選擇以及安裝要求等因素已經在相關標準中有了一定的規定，或已得到廣大試驗人員的高度重視。但對于支撐系統和聯軸系統的影響仍認識不夠，因此，依據前文的分析主要從支撐系統和聯軸系統兩個方面提出以下建議。

試驗是否有效與試驗的目的密切相關，因此確保發動機扭振試驗有效除了滿足標準的要求，還要符合試驗的目的。

如果發動機扭振試驗的目的是標定仿真模型，則在試驗設計時，建議使用剛性支撐系統，并在試驗前與設計仿真人員進行溝通，提供準確的聯軸器、測功機等技術參數，值得注意的是，還要提供發動機連接盤的轉動慣量，因為在臺架安裝聯軸器時，往往會通過連接盤將聯軸器與發動機飛輪連接，連接盤的慣量同樣是不可忽略的因素，因為它會增加聯軸器主動端的慣量，從而影響扭振仿真的精度。

如果發動機扭振試驗的目的是用于發動機鑒定，為確保發動機扭振試驗的有效性，應充分考慮該發動機未來所使用的載體(車輛、船舶等)。因為扭振問題的出現往往與發動機整個傳動系統相關，發動機載體不同則傳動系統會有很大的差異，發動機臺架系統的設計會直接影響試驗的有效性。就支撐系統方面，應盡量采用與發動機所用載體相同的支撐形式，如采用相同的彈性支撐、采用相同的支撐位置。不能為了確保扭振結果的指標而降低條件。對于聯軸系統來說，聯軸器主動端慣量對扭振試驗結果影響最大，結合文獻[3]中對于車輛傳動系統試驗的結論——“通過液力變矩器后，扭轉振動的幅值可降低50%”，建議在發動機臺架上利用聯軸器主動端慣量和聯軸器扭轉剛度兩個參數，模擬車輛傳動系統液力變矩器前端的當量，在發動機臺架上實現對整車傳動系統強迫扭振的模擬，減少發動機后期試驗量，在設計研發階段及早發現問題，提高發動機的可靠性。

若未來所使用的載體不明確，可以在發動機設計階段提供足夠的裕度，并將該裕度提供給用戶方。而在發動機試驗臺架上，應選擇最惡劣的條件進行扭振試驗，如彈性支撐和高低兩種極限轉動慣量的聯軸器，便于提早發現發動機可能出現的故障和獲取該發動機的可用裕度。

綜上所述，為確保發動機扭振試驗的有效性，建議發動機設計人員在編制任務書時應準確描述發動機扭振試驗的目的，提供準確的發動機當量系統模型，或對聯軸器主動端的慣量和支撐形式提出約束，以便于試驗人員進行試驗設計。對于試驗人員，應提供準確的聯軸系統設計參數，包括聯軸器、連接盤、測功機和支撐系統等，以便于設計人員進行設計校核和修正。

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[編輯： 潘麗麗]

Effectiveness of Engine Torsional Vibration Test

PEI Wei， KANG Zuoming， ZHANG Dongmei， ZHANG Hui， ZHANG Tanjun，LI Ning， ZHANG Xinggang， FAN Yuhui， GAO Yingying

(China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

Engine torsional vibration tests were conducted by using two kinds of supporting systems and coupling systems. The results showed that the supporting system and coupling had a significant influence on test results. According to the theoretical analysis，the vibration of sensor bracket for different supporting system was also different, which led to the difference between test results. With the simulation model of the engine torsional vibration, the torsional factor was extracted and its sensitivity was analyzed. It was found in the end that the inertia of coupling active end was the main influencing parameter of comprehensive torsion amplitude. Accordingly, it was proposed that different test designs should be used to guarantee torsional test effectiveness according to different test purposes.

engine; supporting system; coupling system; torsional vibration test; effectiveness

2015-04-25；

2015-11-13

裴偉(1981—)，男，助理研究員，主要從事車用發動機試驗測試技術研究；moderatepw@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.015

TK427.11

B

1001-2222(2016)01-0078-05