发动机曲轴的扭转振动分析

张震

【摘 要】曲轴的振动是影响内燃机生产、设计、制造和使用中的一个很重要因素。曲轴的振动本质上是三维形式的振动，随着人们对曲轴振动的认识和要求，不仅扭转振动是人们研究的主要内容之一，弯曲振动、纵向振动也是研究的重要内容。曲轴振动不但和引起振动的激励有关，而且和曲轴系的动态特性密切相关。文章针对内燃机轴系扭振的危害、产生机理和实验与理论的建立过程及实验与理论结果的比较，以及改善扭振的方法，等方面进行了较为全面的阐述，为认识内燃机轴系扭振提供了较为全面的参考信息。

【关键词】内燃机；曲轴；扭振

一、曲轴扭转振动原因简析

内燃机曲轴装置之所以产生扭转振动，其内因是曲轴本身不但具有惯性，而且还有弹性，由此确定了曲轴本身固有的自由扭振特性。而其外因则是作用在曲轴上周期性变化的激振力矩，例如：大爆发压力的活塞惯性力、曲柄连杆机构的惯性力和重力、附件的不规则阻力矩和外界反作用力，这些力矩是曲轴产生扭振的能量来源，只要机器在运行，这些激振力矩就存在，强迫扭振就持续发生，使得曲轴在运转时产生剧烈的振动。激振力矩的频率、幅值等都对强迫振动的振幅起到极其重要的作用。曲轴按照激振的频率进行强制振动，当激振频率与曲轴本身的固有频率相同时，就会产生共振。当扭振应力超过轴系所能承受的应力时，曲轴将产生断裂。所以控制曲轴扭转振动是内燃机工作者的工作重点之一。

燃机工作时，可燃混合气在气缸内燃烧。由于燃烧时火焰传播速率很快，气缸内产生压力波的冲击与叠加，因此在上止点附近产生很高的爆发压力（压缩点火式发动机的最大爆发压力约90～160个大气压；火花点火式发动机的最大爆发压力相对小一些）和压力升高率（压缩点火式发动机的压力升高率约4～10个大气压/曲轴转角）。这些高频大幅振荡的压力波作用在活塞顶面和气缸上，因而产生燃烧噪声和轴系与发动机整机的振动。

由于燃烧过程是周期性的，每循环气缸压力变化曲线可以用一系列不同振幅和相位的正弦波叠加合成。可以看出气缸压力不仅在低频的振幅很大，在高频振幅也很大。当激励力作用在活塞和气缸体时引起整机和曲轴的振动，并辐射出噪声。

二、内燃机曲轴扭振介绍

（一）内燃机类型

现代的内燃机是交通工具中不可缺少的一部分，不仅在交通工具中有着广泛的应用，工农业生产以及防国防方面也有着不可替代的作用。

内燃机种类繁多，分类可以按照不同的方是来分：按所用燃料来分，分为汽油机，柴油机，双燃料发动机等等，如今内燃机有柴油化的趋势。按缸内着火方式分有压燃式和点燃式两种，汽油机为点燃式，柴油机为压燃式。按活塞冲程数来分，分为四冲程和二冲程。摩托与小型用机多为二冲程。

在这么多种类的内燃机中，在六缸以上内燃机的轴系扭转振动问题比较突出，因此我们研究的对象多为六缸以上的内燃机。

（二）内燃机曲轴扭转振动

内燃机的曲轴扭转振动主要是因为有激振力矩作用于曲轴，使之产生了扭转振动。这种扭转振动是强迫性的，不是曲轴本身所决定的。在内燃机装置中，汽缸内气体的压力，曲柄连杆机构的重力及其惯性力对曲轴都会产生周期性变化的激振力矩，这些激振力矩都是曲轴扭转振动的振源。在内燃机中，这些激振力矩对于低速重型柴油机有必要考虑而对于一般中小型内燃机的影响并不大。因此我们考虑内燃机曲轴扭转振动是大多数都是考虑六缸以上的内燃机。

（三）内燃机曲轴扭转振动的危害

内燃机曲轴振动是引发发动机结构和动力装置振动及噪声的主要激励源、而扭转振动是内燃机上研究得最早也是危害最大的振动问题.因而在内燃机设计时必须进行扭振计算。

内燃机的曲轴轴系是一个弹性系统，若给以初激扭矩，便会产生周期性的扭转弹性变形，这就是自由扭转振动。若给轴系一个同期变化的干扰力矩，轴系即按干扰力矩的频率作强迫扭转振动。若干扰力矩的频率和轴系的固有频率相同时，轴系则将产生高振幅的扭转共振。一旦发生共振，则会使轴系零件磨损加剧，噪音骤增，加速材料疲劳，甚至断曲轴。

（四）改善扭振的方法

通常采用改变轴系柔度、调整干扰力矩、附加振动系统以及加装减震器等法来改善扭振。加装减震器是吸收振动最直接有效的方法。

其中，作为传统的减振办法是采取被动的隔振技术（如加橡胶垫等等），被动式减振器的设计对其频率参数和阻尼参数有严格的要求，这两个参数是根据所谓最优条件确定的，但由于减振器设计制造和使用材料等方面的原因，很难保证实际使用的减振器参数处于最佳。另外，影响被动式减振器效果的还有一个最根本的原因就是它的性能不能根据干扰频率的变化自动调节，而只能依靠确定一组所谓最佳的设计参数，使减根器在内燃机整个工作频率范围内折中地满足主系统扭振幅值在一个允许的范围内，因而效果始终不理想。

三、结语

自七十年代以来随着现代控制理论的发展和计算机技术的应用，测试技术与设备精度的提高，主动控制减振技术开始得以应用，其原理是：利用主动振动控制是指在振动控制过程中，根据所检测到的结构振动，应用一定的控制策略经过实时计算，从而驱动作功器对结构施加一定的影响（比如力、力矩），有效地控制轴系的扭振响应，达到抑制或消除结构振动的目的。主动振动控制由于其良好的控制效果，以及对不同结构的适应能力获得了广泛的应用。

参考文献

[1] 郝志勇等.内燃机曲轴轴系扭振主动控制研究[J].振动工程学报，1994.

[2] 郝志勇等.内燃机轴系扭振模拟装置的研究[J].内燃机工程，1991.

[3] 郝志勇等.汽轮发电机组转子轴系扭振主动控制的模拟研究[J].动力工程，1997.

[4] 薛冬新，宋希庚.曲轴扭转振动导致的内燃机噪声[J].大连理工大学学报，1996.

[5] 郝志勇等.内燃机主动控制减振装置的研究[J].内燃机学报，1991.endprint