發動機扭轉減振皮帶輪的匹配試驗研究

陳小強

摘要：對某四缸汽油機進行不同頻率的皮帶輪匹配臺架試驗測試，在發動機全負荷加速工況下采集曲軸轉速信號并進行扭振分析，結果表明頻率為340Hz扭轉減振皮帶輪滿足對單諧階扭轉角位移和各諧階扭轉角位移之和的設計要求，且能有效衰減曲軸扭振，因此確定該發動機匹配340Hz頻率的扭轉減振皮帶輪。

關鍵詞：皮帶輪;扭振;頻率;角位移

中圖分類號：U464.133.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0011-03

0? 引言

發動機曲軸承受著氣缸內混合氣燃燒壓力和運動部件的慣性力，這些作用力是周期性變化的載荷。作為一個具有慣性質量的彈性系統，曲軸在周期性變化的轉矩作用下，各軸段間必然會發生周期性扭轉振動[1]。近幾年隨著發動機逐漸朝小型化和高功率的方向發展，扭轉振動則進一步加劇[2]，尤其是在某一轉速下當強迫扭振頻率和曲軸系自身固有頻率相當時，扭振振幅明顯增大，從而產生曲軸共振[3]。共振現象對發動機工作影響很大，輕則前端輪系噪聲增大，機體振動增加，影響整車舒適性，重則曲軸斷裂，發生安全事故。

目前車用汽油機改善扭振常用方法是在曲軸前端安裝扭轉減振皮帶輪，其工作原理是通過皮帶輪中的橡膠阻尼來吸收曲軸的扭振能量從而降低振動噪聲[4]，因此汽油機曲軸皮帶輪的匹配設計十分重要。

本文基于已有仿真計算結果，利用LMS測試設備，對不同頻率的扭轉減振皮帶輪進行臺架測試，通過扭振特性分析，為發動機匹配最佳頻率的減振皮帶輪。

1? 試驗測試

扭轉減振皮帶輪由輪轂、橡膠層和慣量環三部分構成，其中慣量環轉動慣量和皮帶輪頻率會影響扭振幅值。根據發動機結構設計要求，皮帶輪的轉動慣量保持不變，只改變皮帶輪頻率，以測試發動機匹配不同頻率皮帶輪時對扭振的控制效果，皮帶輪頻率的調節一般通過改變橡膠參數來實現。經前期仿真分析和廠家試制，本次試驗的四個皮帶輪設計參數見表1。

測試所用為某直列四缸1.5T增壓汽油機，AVL發動機臺架測試系統，發動機飛輪側與測功機輸入軸進行固定連接。數據采集為西門子LMS測試設備，通過編碼器采集皮帶輪輪轂的轉速信號，編碼器每轉輸出600個脈沖信號。編碼器通過工裝固定安裝在發動機前端，同時保證其與發動機曲軸同軸，測試安裝如圖1所示。

測試工況為發動機全負荷勻加速1000-5500rpm，數據采集前，應起動發動機進行熱機，確保發動機冷卻液溫度、機油溫度等達到規定范圍值，然后再進行試驗。

試驗過程中，LMS測試系統將編碼器采集的轉速脈沖信號計算成角速度信號，然后再對其積分計算成角位移，最后測試系統通過傅里葉變換將時域角位移信號轉換成頻域角位移，從而得到不同諧階的扭轉角位移振幅隨轉速變化的結果。

2? 數據分析

將測試數據在LMS Test.Lab軟件中分析計算。由于本次試驗對象為四缸發動機，在一個工作循環中曲軸旋轉兩圈，發動機點火四次，因此發動機的主要諧階為2、4、6、8等諧階。但發動機2諧階扭轉角位移受滾振影響較大，而滾振一般稱為零節點振動，其特征為振動角位移振幅與發動機轉速的平方成反比，一般在發動機低轉速區域扭振幅值較大，隨著轉速的升高振動幅值逐漸減小，所以在扭振分析時應剔除2諧階的數據，其次10諧階以上扭轉角位移較小可忽略不計，因此本文主要分析4、6、8、10各諧階扭轉角位移。

根據工程經驗，一般要求在發動機額定轉速范圍內，皮帶輪的單諧階扭轉角位移最大值小于0.1°，且各諧階扭轉角位移之和最大值小于0.2°，則認為發動機的扭振可接受，皮帶輪的匹配效果較好。

2.1 單諧階測試結果

從圖2-圖5可以看出在發動機低轉速段，所有皮帶輪的4諧階扭轉角位移均較大，這是由于在低轉速段受到曲軸滾振的影響，因此在數據分析時應忽略4諧階低轉速段的測試結果。皮帶輪4、6、8和10各諧階扭轉角位移最大值及對應轉速如表2所示。

從表2中可以看出1#皮帶輪6諧階、2#皮帶輪4諧階和4#皮帶輪4諧階的扭轉角位移最大值均超過0.1°，不滿足對曲軸扭振衰減的設計要求。3#皮帶輪各諧階扭轉角位移最大值都小于0.1°，其中最大為4諧階0.093°，發動機轉速為4883rpm，避開了發動機常用工作轉速范圍，滿足對皮帶輪扭振單諧階的設計要求。

2.2 各諧階扭轉角之和

3? 總結

①對四種不同頻率皮帶輪的4、6、8和10諧階進行扭振分析，340Hz頻率的皮帶輪各單諧階扭轉角幅值小于0.1°，滿足設計要求。②331Hz和340Hz頻率皮帶輪各諧階扭轉角之和小于0.2°，滿足設計要求。③綜合分析，選擇340Hz頻率皮帶輪作為最佳匹配結果，且能對發動機扭振有很好衰減效果。

參考文獻：

[1]李亞男.曲軸扭振對發動機整機噪聲性能影響的研究[D].浙江大學，2017.

[2]張棟，張良良，高文志，等.2.8T柴油機軸系扭振特性測試與分析[J].機械設計，2014，31（11）：73-74.

[3]李靜，王東方，繆小冬，等.發動機曲軸扭振仿真分析與研究[J].機械設計與制造工程，2017，46（5）：41.

[4]王國峰.汽車發動機曲軸扭振減振器設計[J].內燃機與配件，2019（13）：31-32.