汽车发动机曲轴纵向振动的研究

赵勇

摘要：在发动机运转时，柔韧性和周期性的转矩对发动机轴的时刻有曲轴的作用扭转振动。轴系扭振能承受交变应力，但疲劳的积累就会造成曲轴的突然断裂。再加上较低的固有频率扭转振动，容易引起共鸣，进而引起大的噪音，它的其他部分磨损加剧，甚至可能发生再次断裂等严重损坏发动机曲轴事故。安装曲轴扭振减振器是曲轴扭振控制的主要措施，通过对发动机曲轴扭振分析，采用合理有效的方式来设计配套曲轴扭振减振器具有十分重要的意义。

关键词：扭转振动；交变应力；共振；疲劳磨损

引言

随着近些年来，人们生活水平的不断提高，人均汽车拥有量也不断提升。同时人们对于汽车的舒适性也提出了较高的要求，而汽车发动机曲轴纵向振动是最影响汽车综合性能的因素，因此通过降低汽车发动机曲轴纵向振动，可以延长发动机的使用寿命。发动机的纵向振动一般非为两类，一类是由于动平衡失调带来的脉动循环，产生循环往复的惯性力和惯性力矩，引起发动机整体的振动。另一类是发动机本身在不同工况下工作时，由于力和力矩的波动所带来的扭转振动。因此改善发动机工作时产生的振动，提高发动机的设计水平具有十分重要的现实意义。

1.研究背景和意義

汽车在人们生活中扮演着重要的角色，丰富了人们的生活，方便了人们的出行。但是汽车却容易因为发动机曲轴纵向振动而产生一些列问题，因此研究发动机曲轴纵向振动具有普遍的现实意义。经过该轴的扭转振动引起的交变应力，在发动机运转过程中并造成疲劳的积累过程中，最终将建立一轴或多轴系组件联系的突然中断，这突如其来的意外扭转振动也使事故的后果已经严重，往往损失惨重。此外，由于较长的曲柄轴的扭转刚度较小时，一个大的转动惯量以及在扭转振动容易激发的激励频率范围的扭矩的固有频率范围内，产生共振现象，所以这是一个巨大的动态扭转振动放大，从而引起较大的的噪音，曲轴断裂的其它部分磨损增大将导致再次出现事故和严重的发动机损坏问题。发动机曲轴的扭转振动系统，不仅影响其自身的动作，将被传递到传动离合器、传动轴、驱动桥，影响其工作寿命，甚至导致各种失效模式。可见，轴系扭转振动是影响该轴的安全运行的一个重要问题，因此轴系扭振的研究具有重要的意义。

2.产生汽车发动机曲轴纵向振动的原因

所有的曲轴和旋转机械都会产生振动。振动的产生是无法避免的，也不是曲轴本身的问题：经设计者（以及电动机设计者）设计的泵能承受正常限度内的振动。这些振动限度随泵的类型、安装配置、供电要求、旋转速度以及泵送的液体等的差异而发生变化。汽车协会出版了美国国家标准协会（ANSI）所采用的一整套标准，其内容涵盖了振动动力学、测量标准以及允许限度。该标准为ANSI/HI 9.6.4。确立基准参考值、确定限度以及将振动测量值并入预防性维修计划等，通常将在振动引起重大故障或其他无法预知的后果之前保证泵的正常务。但是振动本身并不是"根本性问题"：振动由泵内部或系统内部的某个部件引起。由上述任一类原因引起的振动通常将导致其加剧达到一个将导致另一原因下出现故障的水平。

轴系设计计算、检查计算以及事故分析和安全轴运行具有十分重要的的现实意义。完善可能造成后果的最直接和最有效的方法是以提高发动机的设计水平，使经过润滑发动机的振动 更顺畅，工作更加平稳。例如使用一个合理的多缸布局和依次顺序排布，以保证动平衡。 然而，由于往复式发动机的运行特性，导致发动机的工作不是完全固定的，从并且使得只用一个曲轴来尽可能地减小从发动机的设计点这个工作是不稳定的，可能通过这种不均匀带来了震动。造成的风险是由于生成的发动机轴扭振其主要是共振和其它传动部件扭转振动传递和放大等造成的，因此，有针对性的措施，是为了避免总振动，消除扭转振动隔离。避免共振方法是尽量避免发动机曲轴的操作速度和曲轴的扭转临界转速振动相吻合。安装在曲轴的扭转阻尼器是是主要措施以消除扭转振动及隔离共振频率。因此在利用设计使发动机曲轴扭振减振器合理采用有效的方法，具有十分重要的意义。

3.解决汽车发动机曲轴纵向振动的措施

为了平衡曲柄连杆机构因作功间隔大而产生的惯性力，设置了双平衡装置。要求装配时，必须严格保证正时齿轮和平衡曲轴齿轮的所有记号一一对准。只有这样才能使发动机惯性力平衡。保证发动机的平稳运转。发动机曲柄连杆机构惯性力失衡导致双平衡轴不起平衡作用，引起了发动机振动。

找I缸的压缩上止点：将正时螺栓插入飞轮壳上的孔中，压向飞轮。逆时针转动曲轴，直到正时螺栓插入飞轮上的孔中，压向飞轮。逆时针转动曲轴，直到正时螺栓插入飞轮上的孔中，停止转动。卸下气门罩盖，查看I缸的两个气门，如果I缸活塞处于压缩行程的上止点位置，则两个气门都应该关闭，此时用手可以上下扳动摇臂。如果扳不动摇臂，则从飞轮上卸下正时螺栓，逆时针转动曲轴3600。并装上正时螺栓，此时为I缸压缩行程的上止点（如果正时螺栓插入飞轮后，卸下高压油泵的正时盖，能够将正时销插入喷油泵凸轮槽中，也可以断定此时I缸处于压缩行程的上止点）。

在发动机曲轴箱的底部，中间一道大瓦的两边各有一螺栓孔，用手转动平衡轴，当轴上的凹面部分对准螺栓孔时就拧入螺栓，以抵住平衡轴的凹面，使平衡轴不能转动。将曲轴、平衡轴都定位后，再装上机油泵，无需对正记号。最后，拆掉使平衡轴定位的螺栓即可。

4.结语

曲轴扭转振动是最有害的发动机振动，扭转振动的连续轴或轴系统上的零部件突然断裂将导致严重的机械事故。此外，由于较低的轴振动的扭转振动本身的固有频率，容易产生共振，从而使动态扭转振动被放大，引起更大的的噪声。因此，轴系纵向振动问题是影响轴的安全运行的重要问题，对研究轴系扭振的研究具有非常重要的使用价值。

参考文献：

[1]宋天相，王义，宋希庚等.长行程船用柴油机轴系轴向振动特性的分析.大连理工大学学报.1995.135（3）.

[2]傅鲁华，吕兴才，张寅豹.内燃机曲轴振动研究的内容及方法[J].拖拉机与农用运输车， 2004，4：6-8.

[3]郝志勇，段秀兵，程金林.柴油机曲轴轴系的柔性多体动力学仿真分析[J]. 铁道机车车辆， 2003， 23（S1）： 86-89.

[4]李震，桂长林，孙军.内燃机曲轴轴系振动分析研究的现状、讨论与展望[J]. 内燃机学报， 2002， 20（5）： 469-474.