發動機扭轉振動試驗研究

程勉宏 龔鵬 李播博

摘 要：曲軸的扭轉振動是影響發動機安全運行的重要因素之一 因此曲軸扭轉振動是發動機研發過程要解決的重要課題。文章以兩款不同的直列四缸發動機為研究對象 用測速齒盤作為發動機扭轉振動的測量信號齒盤 介紹了測試齒盤的測試方法 并在發動機臺架上進行發動機扭振試驗測試 為發動機性能改善提供幫助。

關鍵詞：扭轉振動;測速齒盤;試驗研究

中圖分類號：U467.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-108-03

Abstract： The torsional vibration of crankshaft is one of the main factors promising the safe operation of engine， therefore the torsional vibration of crankshaft is the key issue during the R&D process of engine. In this paper， the torsional vibration of crankshaft in two different inline four-cylinder engines was studied experimentally. A speed measuring tooth disc was employed as the signal disc during the experimental test for the torsional vibration of the engine. The test procedure was introduced and the bench tests of torsional vibration were carried out for both engines. The results could provide some guidance for engine performance improvement.

Keywords： Torsional vibration; Speed measuring tooth disc; Experimental research

CLC NO.： U467.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-108-03

1 前言

隨著社會的發展 人們對汽車乘座的舒適性要求越來越高，有關汽車發動機的噪聲、振動和行駛平順性（NVH）的研究愈來愈受到人們的重視 發動機曲軸系的扭轉振動是汽車發動機NVH分析的重要組成部分。嚴重的扭振會使曲軸斷裂或連桿、活塞等相關零件損壞 也嚴重影響到整車傳動系的穩定性。因此系統設計完成后需對發動機扭轉振動進行測試 以評價其扭振的性能 常用的方法是在軸上安裝等分結構（如齒盤）進行非接觸式測量。

2 曲軸扭振的產生

在發動機的使用過程中 有時會發現當發動機達到某一轉速時會產生劇烈的振動 其性能指標也就變差了 如果繼續在這一轉速下工作就有可能發生曲軸斷裂、連桿、活塞等零件損壞、正時齒輪打齒等一系列惡性事故 但當提高或者降低發動機的工作轉速 這一現象將逐漸減弱并消失 發動機重新恢復正常工作狀態 產生這種現象的主要原因是發動機的曲軸在使用的過程中發生了大幅度的扭轉振動 簡稱扭振。

當外界扭轉力矩的頻率與曲軸的共振頻率相同時 曲軸的扭轉變形幅度將大大超過正常值 這種共振現象是我們不希望發生的。對于四沖程發動機工作時曲軸扭矩M數學公式可表達為：

式中：M0為單缸四沖程發動機的平均扭矩;為扭矩Mg的第k階簡諧分量;ω為工作過程周期變化的園頻率 ω=2π/T;T為工作過程完成一個循環的周期;δk為第k階諧量的初相位。

由式（1）可以看出 曲軸上除了作用著一個真正用來驅動曲軸旋轉的平均力矩M0之外 還作用著多個簡諧力矩 它們對曲軸的旋轉起到干擾作用。當發動機達到一定轉速 施加在曲軸上的周期性變化的某一階簡諧力矩與曲軸本身的扭轉振動的固有頻率相同時 曲軸就會產生共振現象 此時發動機的轉速叫做發動機的臨界轉速 發動機應嚴禁長時間在此轉速下工作。

3 曲軸扭振的測試

3.1 扭振測試分析

扭振測試是在測試系統中采集的一系列轉速脈沖信號計算出軸的瞬時轉速 并由此計算出扭振的角度。

實際測試中 扭振可以用角位移、角速度和速度描述 利用安裝在軸上的測速齒盤進行扭振測量時 實質為測量相鄰兩齒間的平均角速度：

式中 θ0為齒盤兩齒間的角度 θ0=2π/n;n為齒數;△ti為相鄰兩齒同一位置轉過磁電傳感器的時間差 △ti = tn+1 -tn。

3.2 測試系統安裝

在扭轉振動測試試驗中 測速齒盤的安裝精度直接影響試驗的測試結果 安裝時要注意測速齒盤和減震皮帶輪之間保持一定的間隙 并保證同心。安裝簡圖如圖1所示。

實際測試中 設曲軸旋轉以o2為圓心 測速齒盤旋轉以o1為圓心 為了保證測試精度 要求安裝時兩個圓心一定同心。若在測速齒盤偏心狀態下 即使曲軸沒有發生扭振 在傳感器上會得到偽扭振值。偽扭振信號會對發動機的真實的激勵信號產生的扭振信號產生影響 導致試驗結果的不真實。

3.3 測試內容

通過以上理論分析 對2款四沖程發動機在試驗臺架上進行了扭振測試 試驗儀器和設備主要包括：轉速信號拾取系統（測速齒盤和磁電式測速傳感器） Lms瞬態噪聲振動測量系統 裝有QTV板的SCADASⅢ采集前端和計算機。

在發動機試驗臺架上 測量發動機曲軸前端（皮帶輪）處的扭轉振動角度。試驗工況為節氣門全開、發動機轉速從1000r/min開始均勻加速到額定轉速。得到曲軸前端扭轉振動角度隨發動機轉速和振動頻率的變化關系。

3.4 試驗方法

（1）預熱 使水溫達到工作溫度 機油溫度85℃±5℃。

（2）起動采集前端和計算機 檢查系統是否連接好。

（3）設定測量采樣參數。

（4）將發動機調到1000rpm 起動QTV測量 將轉速從1000rpm緩慢調到5500rpm 完成自動測量。

（5）關閉發動機 進行數據處理。

4 試驗結果分析

在測試中保持A、B兩款發動機轉速勻速變化 得到以頻率和發動機轉速為x、y坐標 以扭轉角度為z坐標的瀑布圖如圖2、圖3所示。

（1）轉速-頻率瀑布圖上可以看出 A、B兩款發動機的最大角振動幅值出現第1階、第2階諧量 以第2階諧量為最大 最大值出現在低速低頻區。

（2）把兩個瀑布圖沿斜線切開 得到扭振角度在發動機工作轉速范圍內的諧次振動曲線 如圖4、圖5所示 可以看出兩款發動機第2階諧量振動都是在1000r/min時最高 隨著轉速的增高而迅速下降。在2000r/min附近達到基本穩定 在2000r/min以上范圍內維持比較小的振動。

（3）在A款發動機的瀑布圖上可以看出 該發動機在290-360HZ間發生共振。這也導致A款發動機的扭振情況較B款發動機的強烈。

5 結論

以等分測試齒盤為發動機扭振測試的信號測量齒盤 在保證安裝精度的情況下 對2款四沖程發動機進行了測試分析 測試結果可以為正在研發的發動機性能改善提供指導和幫助。

參考文獻

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