曲轴转速波动对某柴油机正时齿轮系动力学特性的影响

薛爽　毕玉华　贾德文　宋国富　雷基林

摘 要： 为了研究曲轴转速波动对正时齿轮动力学性能的影响，分别建立曲轴动力学模型与正时齿轮系动力学模型，在测试的基础上，研究了齿轮啮合冲击力随转速波动的变化规律，以及曲轴加装减振器前后的齿轮系冲击力与频域啮合力的变化。研究表明：随着转速的增加，转速的波动幅度增大，齿轮的最大冲击力增大，转速从1 000 r/m到3 000 r/m时，曲轴齿轮所受最大冲击力增大了近5倍。曲轴加装减振器后，各个齿轮冲击力平均减小了60%。曲轴的转速波动是导致该柴油机正时齿轮受到高冲击载荷的主要原因。

关键词： 齿轮系动力学； 曲轴转速波动； 啮合冲击力； 频谱分析

中图分类号： TN911?34； TH132.41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）10?0035?04

Abstract： The dynamics models of crankshaft and Timing gear train were established for analysing the crankshaft speed ??fluctuation on the timing gear dynamics performance. On the basis of test， the variation of gear meshing impact force with the rotate speed fluctuation was analyzed， and the variation of gear impact force and frequency?domain engaging force was compared before and after adding crankshaft vibration damper. The research result shows that the amplitude of speed fluctuation increases with the increase of the rotate speed， and the maximum impact force is increased by nearly 5 times when the diesel engine speed is increased from 1000 rpm to 3000 rpm. Each gear impact force decreased by 60% in average after installing the shock absorber on the crankshaft. The crankshaft speed ??fluctuation is one of the important factors affecting the timing gear dynamics characteristics of diesel engine.

Keywords： gear train dynamics； crankshaft speed ??fluctuation； meshing impact； frequency analysis

柴油机的正时驱动机构控制着配气机构、喷油泵以及液压油泵等装置的正时，是柴油机准确工作的保证。由于齿轮啮合的工作特点，导致齿轮传动具有啮合冲击大、不平稳、噪声大等缺点。研究表明：齿轮啮合时的冲击载荷是静态载荷的数倍[1]，齿轮的负载与冲击频率对齿轮的噪声辐射特性影响较大 [2]。在1 000 Hz以下齿轮系动态特性对噪声影响较大[3]。

由于齿轮高速旋转的工作特点，对齿轮进行动力学实验有着诸多的困难，随着虚拟样机技术的发展，很多学者采用动力学仿真的方法对齿轮工作特性进行研究。辛辛那提大学的Tao Peng 与 Teik C. Lim运用了多体动力学的方法分析了双曲面齿轮在高转速工况下及支撑刚度影响下的非线性动态特性[4]；中南大学黄中华给出了基于Hertz 接触理论的齿轮啮合传动时轮齿碰撞力的计算方法[5]；天津大学毕凤荣等提出了一种基于MSC?ADAMS平台上对渐开线齿轮啮合动态仿真方法[6]。

柴油机具有周期性爆发的工作特点，曲轴输出转速是不均匀的。为了研究曲轴转速波动负载对正时齿轮动力学特性的影响，建立曲轴动力学模型与正时齿轮系动力学模型，通过对曲轴动力学的计算，获得正时齿轮系动力学模型的外部激励即曲轴转速波动负载。本文研究了柴油机不同转速下的转速激励对柴油机正时齿轮冲击力大小的影响，并对比分析了曲轴加装减振器前后正时齿轮系动力学的计算结果，为正时齿轮系动力学性能的优化提供依据。

1 齿轮啮合原理

根据齿轮啮合理论，正时齿轮动力学特性影响因素可以分为内部影响因素和外部影响两类。内部影响因素主要是齿轮的啮合刚度、啮合阻尼、齿侧间隙、齿轮盘的转动惯量、加工与安装误差导致的齿轮之间的传递误差；外部影响因素为主动轮的外力矩与从动轮的负载转矩引起的啮合冲击[8]。

2 齿轮系动力学模型建立

2.1 正时齿轮参数

所研究的柴油机正时齿轮系见图1，柴油机的输出动力通过曲轴正时齿轮传递给整个正时齿轮系，并控制着配气正时、喷油泵与高压油泵。各个齿轮均为斜齿轮，模数为3，齿形角为20°，螺旋角为16°，齿根高3.75 mm，齿宽24 mm，齿轮参数如图1所示。

曲轴加装减振器后，各个齿轮的频域啮合力都大幅降低，如图9所示，各个齿轮在1 000 Hz以内的啮合频域力由最高的220 N降到40 N以下。这是由于减振器阻尼衰减的作用降低了曲轴的扭转幅值，从而减小了对齿轮系的输入激励。距转速激励端最近的曲轴齿轮频域啮合力相比负载端齿轮减小的较为明显，这主要是负载端齿轮所受负载转矩的激励作用导致的。

5 结 语

通过对正时齿轮系动力学计算结果的对比分析，可以得出以下结论：

（1） 柴油机在1 000 r/m到3 000 r/m时，曲轴正时齿轮的啮合冲击力增大了近5倍，这主要是由于转速波动随发动机转速随转速的升高而大幅增加导致的。

（2） 曲轴加装减振器后，转速波动最大幅值减小了近50%，而各个齿轮的最大冲击力平均降低了60%以上。各个齿轮的频域冲击力在加装减振器后，均下降到了40 N以下。

（3） 曲轴的转速波动是导致该柴油机正时齿轮受到高冲击载荷主要因素，并影响着齿轮冲击力的变化规律。

参考文献

[1] 张土军，滕旭东，刘志优.发动机齿轮与轴承失效分析[J].失效分析与预防，2011（2）：109?114.

[2] 周建星，刘更，吴立言.转速与负载对减速器振动噪声的影响研究[J].振动与冲击，2013，32（8）：193?198.

[3] 李一民，郝志勇，叶慧飞.柴油机正时齿轮系动力学特性分析[J].浙江大学学报，2012，46（8）：1472?1497.

[4] PENG Tao， LIM T. Coupled multi?body dynamic and vibration analysis of high?speed hypoid geared rotor system， SAE 2007?01?2228 [R]. USA： SAE， 2007.

[5] 黄中华，张晓建，周玉军.渐开线齿轮啮合碰撞力仿真[J].中南大学学报，2011，42（2）：379?382.

[6] 毕凤荣，崔新涛，刘宁.渐开线齿轮动态啮合力计算机仿真[J]. 天津大学学报，2005，38（11）：991?995.

[7] 王炎，马吉胜，蒙刚，等.基于虚拟样机的齿轮系统非线性扭转振动分析[J].机械工程师，2007（11）：23?25.

[8] 王建军，李润方.齿轮系统动力学的理论体系[J].中国机械工程，1998（12）：55?58.

[9] 杜巍，刘福水.多缸柴油机转速波动与燃烧不均匀性的相关性[J].农业机械学报，2010，41（2）：17?20.

[10] 程鹏，郭英男.HCCI内燃机瞬时转速波动的试验研究[J].拖拉机与农用运输车，2005（5）：22?26.

5 结 语

通过对正时齿轮系动力学计算结果的对比分析，可以得出以下结论：

（1） 柴油机在1 000 r/m到3 000 r/m时，曲轴正时齿轮的啮合冲击力增大了近5倍，这主要是由于转速波动随发动机转速随转速的升高而大幅增加导致的。

（2） 曲轴加装减振器后，转速波动最大幅值减小了近50%，而各个齿轮的最大冲击力平均降低了60%以上。各个齿轮的频域冲击力在加装减振器后，均下降到了40 N以下。

（3） 曲轴的转速波动是导致该柴油机正时齿轮受到高冲击载荷主要因素，并影响着齿轮冲击力的变化规律。

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[1] 张土军，滕旭东，刘志优.发动机齿轮与轴承失效分析[J].失效分析与预防，2011（2）：109?114.

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[9] 杜巍，刘福水.多缸柴油机转速波动与燃烧不均匀性的相关性[J].农业机械学报，2010，41（2）：17?20.

[10] 程鹏，郭英男.HCCI内燃机瞬时转速波动的试验研究[J].拖拉机与农用运输车，2005（5）：22?26.

5 结 语

通过对正时齿轮系动力学计算结果的对比分析，可以得出以下结论：

（1） 柴油机在1 000 r/m到3 000 r/m时，曲轴正时齿轮的啮合冲击力增大了近5倍，这主要是由于转速波动随发动机转速随转速的升高而大幅增加导致的。

（2） 曲轴加装减振器后，转速波动最大幅值减小了近50%，而各个齿轮的最大冲击力平均降低了60%以上。各个齿轮的频域冲击力在加装减振器后，均下降到了40 N以下。

（3） 曲轴的转速波动是导致该柴油机正时齿轮受到高冲击载荷主要因素，并影响着齿轮冲击力的变化规律。

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[3] 李一民，郝志勇，叶慧飞.柴油机正时齿轮系动力学特性分析[J].浙江大学学报，2012，46（8）：1472?1497.

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[6] 毕凤荣，崔新涛，刘宁.渐开线齿轮动态啮合力计算机仿真[J]. 天津大学学报，2005，38（11）：991?995.

[7] 王炎，马吉胜，蒙刚，等.基于虚拟样机的齿轮系统非线性扭转振动分析[J].机械工程师，2007（11）：23?25.

[8] 王建军，李润方.齿轮系统动力学的理论体系[J].中国机械工程，1998（12）：55?58.

[9] 杜巍，刘福水.多缸柴油机转速波动与燃烧不均匀性的相关性[J].农业机械学报，2010，41（2）：17?20.

[10] 程鹏，郭英男.HCCI内燃机瞬时转速波动的试验研究[J].拖拉机与农用运输车，2005（5）：22?26.