内燃机曲轴轴系振动分析研究的现状、讨论与展望

张 勇

金川集团公司铁路运输分公司 甘肃 金昌 737100

引言

曲轴系统的振动决定着内燃机的振动。曲轴上的作用的大小和方向都在随着时间发生着周期性的变化，所以它有两个方面的振动，分别是扭转振动和弯曲振动，而且它弯曲和振动的频率也是比较高的。正是因为它会发生弯曲导致其他部件产生振动，并且发出响声，这就是为什么内燃机会产生噪音。但是曲轴扭曲振动的频率却是比较低的，在内燃机进行工作的时候比较容易产生共振，所以就需要采取一定的措施减轻共振，减少噪音，减轻对其他部件的磨损。在这几年，对内燃机的污染以及可靠性，动力性和油耗有了更大的要求，所以我们就需要进一步对它进行研究。

一、分析研究的现状

1.曲轴有着复杂的结构以及受力情况，所以在对曲轴轴系的振动特征进行计算的时候，都会用比较简单的力学模型来进行计算，这样可以更加简便的进行计算。现在的研究把振动计算的曲轴轴系分为了两类，分别是轴系质量经离散化后集总到许多集中点的集总参数模型，还有一种就是分布参数模型，这种模型是轴系质量沿着轴线连续分布的模式。

(1)集总参数模型分析。此模型存在一些优点，它的优点就是有着清晰的物理概念，使用起来是比较简单的，而且计算方法也比较简便。但是这个模型的缺点就是太过于简化，如果想要对曲轴进行精密的计算的时候，这种计算方法就无法达到所需要的精密度。

(2)分布参数模型分析。因为这种模型是轴系质量沿着轴线连续分布的模式，所以这种模式是更加的接近实际情况的。在这种模型中还根据不同的分类又分成了三种不同的模型，分别是对曲轴的实体直接进行部分作为有限元的计算模型，框架模型，阶梯轴模型这三种，下面对这三种进行分析。

①框架模型的分析。在计算曲轴振动时使用有限元法，就能够形成框架模式，这个模型可以使用会连续的实体的并且是有规则的来代替在曲轴中的不同部分结构，这个模型对曲轴原来具有的形状能够得到很好的保持，所以如果使用这种方法进行曲轴的振动计算的时候，可以得到比较精确的结果。

②阶梯轴模型的分析。如果将轴系等效能够进行处理成连续的阶梯轴的模型，这样可以很好的减少集总参数模型进行离散化误差的作用。阶梯轴模型的特点就是它具有连续的质量分布，因为有这样连续的分布的话，就可以更加清楚的知道分布参数对轴系振动特性具有哪些影响，而且可以采用比较多的数学方法来进行计算。将二者进行比较，这个模型的计算结果能够得到更加精确的结果。

2.非线性研究。我们都知道，复杂的非线性研究是曲轴轴系的构成特征。所以想要能够构成一个最能反应曲轴轴系的实际情况的模型是一件非常复杂的时候，它需要考虑非常多的非线性因素的影响。这些问题和因素就包括了变惯量以及非线性部件问题等。这些都可能会对模型的建立产生一定的影响，下面就对它们进行分析。

①变惯量产生的影响进行分析。在运动过程中，活塞和连杆是存在一定的惯性的，我们对他们的惯性进行计算所采用的方法就是等效转动惯量来进行考虑分析的。用单缸机模型定性解释了多缸机中变惯量引起的次共振现象。然后还对柴油机曲轴断裂的原因也从惯量方面进行分析。还对曲轴扭振的影响因素进行了分析，分析的方面就是反复运动产生的影响。还研究了单缸机的简化模型的计算和求解方法进行了研究，并且进一步得到了在考虑惯量的情况下，得到了多缸柴油机的曲轴扭动的运动方程。

二、进行讨论

上面已经对内燃机的曲轴轴系振动的现状进行了分析，通过上面的分析，我们知道了对其进行振动研究是具有一定的特征的，分别是下面几点特征:①对振动的计算模型已经越来越精确了，慢慢的从集总参数模型不断的演变成了用分布参数模型，这样可以提高计算精确度。②在对模型进行研究的过程中，所关系到的物理现象已经越来越复杂了。③对于之前的计算方法在不断的进行改进，不断的出现了越来越多的精确度更加高，效率更加高的计算方法。这些都能够为曲轴振动的分析提供更加有效的方法。

但是，根据现在的情况进行分析来看，现在的有的计算方法和分析模型进行曲轴振动理论计算，但是与直轴振动分析的计算方法进行比较的话，还是存在比较大的差距。有以下两个方面的差距，第一就是在计算中需要依据的参数是不够精确的，比如对刚度以及阻尼系数等的运用。另一个方面就是因为没有考虑到在曲轴振动的过程中还受到了曲轴轴承的影响。

三、研究的发展展望

如果在对曲轴轴系进行设计的时候能够很好的对它的动态特征进行掌握，这样就可以有利于制造。所以就需要结合实际情况能够更加精确的对曲轴轴系振动进行计算。为了能够更加精确的对曲轴轴系的特征进行计算，需要能够更加深入的进行下面几方面进行研究。第一，要对阻尼系数进行更加深入的研究，对与阻尼系数的计算还是没有研究出适合目前情况的计算方法，还是在用古老的经验公式，正因为这方面没能得到进步个发展，所以已经成为制约曲轴振动计算精度提高的一个因素。我们在计算的时候，都已经将阻尼系数人为的常量化了，但是他其实并不是一个常量，他是会改变的，所以需要我们进一步深入进行研究。第二就是非线性研究，对曲轴轴系振动进行精确的分析的时候，就必须考虑到非线性部件变转动惯量以及其他非线性因素，但是根据现在的情况来看，目前的研究还是更多的考虑单一因素的单自由度非线性振动问题，所以这样不能够满足精确度的要求。所以，就要求我们必须要对非线性因素在研究中药进行更多因素的考虑，还需要进一步的更加深入的研究。还要进一步考虑多自由度乃至连续质量分布的曲轴轴系振动问题。

四、结束语

根据本文的分析，可以得到以下一些结论。

1.对于内燃机曲轴振动的计算结果的精确度已经越来越高了，现在正处于一个过渡中，由集总参数模型逐渐的转为分布参数模型。

2.目前正在对曲轴振动的计算方法不断的进行研究和完善，不断在提高计算结果的精确度，现在比较迅速的投入使用的方法就是传递矩阵法，有限元法能够得到相对比较精确的结果，所以也被广泛运用。弹性波传播法容纳了以上两种的优点，所以也已经开始被运用在曲轴振动的计算过程中。

3.主要的测量手段是非接触式振动测量。

4.计算所需要的各项阻尼系数已经成为了一个重要的研究课题。

5.需要进一步深入研究曲轴轴系振动的影响因素，其中包括变惯量，非线性部件以及其他的一些非线性因素。