柴油机曲轴前后端相对扭振的测试方法

曹精明 崔宾 时胜文 徐子春

摘要：为准确分析曲轴扭振数据，提高柴油机曲轴可靠性，以某直列六缸柴油机曲轴为研究对象，建立轴系质量刚度当量模型，搭建柴油机扭振测试系统，采集曲轴前端和飞轮端的转速脉冲信号，分析不同转速下各主要阶次扭振与相对扭振的关系。研究结果表明：曲轴前端3.0阶扭振曲线与相对扭振曲线相差较大，单点扭振无法精确反映曲轴扭振；曲轴的相对扭振可有效消除滚振及外接轴系对扭振的影响，测试曲轴的相对扭振对准确分析曲轴扭转程度至关重要。

关键词：相对扭振;曲轴;转速脉冲

中图分类号： TK423.3文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）01-0037-04

引用格式：曹精明，崔宾，时胜文，等. 柴油机曲轴前后端相对扭振的测试方法［J］.内燃机与动力装置，2023，40（1）：37-40.

CAO Jingming，CUI Bin，SHI Shengwen，et al. Test method of relative torsion vibration from front end to rear end of crankshaft［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（1）：37-40.

0引言

柴油机具有良好的经济性和出色的动力性，广泛应用在卡车、工程机械、船舶、发电设备等众多领域。随着柴油机性能的提升，特别是应用于混合动力装置时，在柴油机气体力、惯性力以及电机电磁力的周期性变化作用下，曲轴扭振也越来越复杂，导致一系列的可靠性与噪声问题[1-3]。

柴油机扭振测试通常只采集曲轴前端一个测点的扭振，单点扭振包含了滚振或者传动轴系其它节点的共振，因此无法得到曲轴本身扭转振动的准确数据。曲轴可靠性问题又与前端及飞轮端的相对扭振相关 [4-5]，为获取准确的曲轴扭振数据，有必要对曲轴相对扭振进行测试及分析。本文中以某直列六缸柴油机曲轴为研究对象，建立轴系质量刚度当量模型，搭建扭振测试系统，采集曲轴前端和飞轮端的转速脉冲信号，分析不同转速下各主要阶次扭振与相对扭振的关系，以获得准确的曲轴扭振数据，提高柴油机曲轴可靠性。

1柴油机扭振测试

1.1柴油机简化扭转振动系统

直列六缸柴油机的轴系三维模型如图1所示，将柴油机前端轮系、减振器、曲拐、活塞连杆、飞轮等质量进行等效，并结合各质量点连接刚度转化为轴系质量刚度当量系统[6-7]，如图2所示，图中I1为曲轴前端法兰，I2～I7为气缸，I8为飞轮，eij为相邻质量点间的轴段。

曲轴上任一点的扭振，包括曲轴本身扭转和滚振，外接轴系的扭振均影响曲轴上各点的扭振。

1.2扭振测试系统

在试验台架上对安装减振器的某型号柴油机进行测试。曲轴相对扭振测试需要采用西门子数采前端Testlab同时采集前端和飞轮端转速信号。前端转速信号通过安装的齿盘工装采集，飞轮端转速信号通过读取ECU转速传感器转速信号获取。满油门工况下，柴油机从最低稳定转速缓加速至额定转速，记录该过程的转速。

2扭振信号分析原理

2.1单点扭振信号处理

信号盘的齿数（或者孔数）是等间隔的，采集的转速脉冲信号为方波信号。根据方波的上升沿或下降沿，可以得到一个脉冲宽度的时间序列。如果存在扭振，脉冲宽度会发生变化，通过读取脉冲之间的宽度，即可得到扭转角波动数据[8-10]。

根据采集到的转速方波信号计算扭转角波动序列为：

θn=∫tn0（ω-ωc）dt=360tc（tn-ntcN） ，（1）

式中：n为信号盘旋转过的齿数；ω为瞬时转速，rad/s；ωc为平均转速，rad/s；tc为旋转一周的时间，s；tn为旋转n个齿所用的时间，s；N为信号盘齿数。

对θn进行傅里叶分解即可得到各阶扭振。

2.2相对扭振信号处理

图3曲轴前端和飞轮端转速信号曲轴前端转速信号脉冲为方波形状，飞轮端转速信号脉冲为不规则形状，如图3所示。飞轮端信号盘为60齿，前端信号盘为120齿。为了在计算时能够与飞轮端信号进行对比，采用2个齿计算一个脉冲，将前端信号盘设置为60齿。

设ω1为前端信号盘的瞬时转速，则曲轴前端转速波动Δ（ω1）=ω1-ωc；设ω2为飞轮端信号盘的瞬时转速，则飞轮端转速波动Δ（ω2）=ω2-ωc；前后端相对转速波动为Δ（ω）=ω2-ω1，相对扭转角波动序列为：

θr=∫tn0（ω2-ω1）dt=360tc（tn2-tn1），（2）

式中：tn1为前端信号盘旋转n个齿所用时间，tn2为飞轮端信号盘旋转n个齿所用时间。

式（2）是以一个信号盘为基准，直接计算二者的相对扭转角度，可避免引入其它计算造成的误差。

3试验结果分析

直列六缸柴油机曲轴扭振的主要阶次为3.0、4.5、6.0、7.5、9.0阶。根据4.5、6.0、7.5、9.0阶等主阶次的临界转速计算得到曲轴扭转频率为135 Hz。将采集到的曲轴前端、飞轮端转速脉冲信号导入MATLAB，利用式（1）计算曲轴前端、飞轮端各个转速下主要阶次的扭振幅值。曲轴前端、飞轮端扭振曲线如图4所示。

由图4a）可知：在转速为1160 r/min时，曲轴前端3.0阶扭振曲线有一个波峰，计算其对应频率为58 Hz，频率较低，小于该节點在曲轴上的通常扭转频率，原因为受外接轴系的影响。

由图4b）可知：飞轮端4.5、6.0、7.5、9.0阶扭振曲线无明显波峰，相应转速下的扭振幅值也较小，这是由于飞轮惯量远大于前端惯量，因此飞轮端扭振幅值远小于前端。

由图4还可知：1）曲轴前端和飞轮端的3.0阶扭振曲线在转速为1160 r/min时均存在一个波峰；2）飞轮端的3.0阶扭振幅值比前端大，表明3.0阶滚振较大，特别是发动机转速较低时，这是由于前端有相对扭振成分，抵消了一部分滚振，因此扭振幅值较小。图5曲轴相对扭振曲线

通过式（2）计算曲轴前端和飞轮端的相对扭振，计算结果不包含滚振，且消除外接轴系扭振的影响。曲轴相对扭振曲线如图5所示。

对比图5与图4a）可知：1）4.5、6.0、7.5、9.0阶扭振曲线幅值与相对扭振幅值相近；2）3.0阶扭振差别较大，3.0阶相对扭振曲线比较平缓，且转速为1160 r/min时无波峰；3）图5中，各转速下的3.0阶相对扭振幅值都较大，且是各阶次中最大的，这无法单独从前端测点数据（图4a）获得。

曲轴前端3.0阶扭振曲线与3.0阶相对扭振曲线相差太大，无法准确反映曲轴的扭转状态。

图6前端和飞轮端3.0阶扭振对比曲线忽略幅值较小的7.5、9.0阶扭振，对比分析曲轴前端、飞轮端和相对扭振的3.0、4.5、6.0阶扭振，结果如图6～8所示。

由图6可知，曲轴前端和飞轮端的3阶扭振与3阶相对扭振曲线无明显规律性关系。

由图7、8可知：4.5、6.0阶扭振幅值较大；前端与飞轮端幅值之和大于相对扭振幅值，这表明前端的扭振数据包含了滚振等其它成分。

综上，曲轴的相对扭振可有效消除滚振及外接轴系扭振的影响，测试曲轴的相对扭振对准确分析曲轴扭转程度至关重要。

图74.5阶扭振对比曲线图86.0阶扭振对比曲线

4结论

以某直列六缸柴油机曲轴为研究对象，采集前端和飞轮端的转速脉冲信号，以其中一个信号作为基准，计算两者的扭转角度，得到曲轴的相对扭振幅值，分析不同转速下各主要阶次扭振与相对扭振的关系：1）曲轴的相对扭振可有效消除滚振及外接轴系扭振的影响；2）前端单点扭振测试结果表明，4.5、6.0阶曲线在临界转速下的幅值接近但小于相对扭振的幅值；3）在滚振、外接轴系扭振影响下，曲轴前端3阶扭振幅值与3阶相对扭振幅值差异较大，无法准确反映曲轴的扭转状态。

参考文献：

[1]孙黎明，朱敬安，陈洪涛. 曲轴系扭转振动对非道路柴油机NVH特性的影响研究[J].拖拉机与农用运输车， 2016， 43（1）：42-48.

[2]DERESZEWSKI M， SIKORA G. Diagnostics of the internal combustion engines operation by measurement of crankshaft instantaneous angular speed[J].Journal of KONBiN， 2019， 49（4）：281-295.

[3]李亚南，郝志勇，郑旭. 扭振对轴承受力及整机噪声影响的研究[J].机电工程， 2017，34（5）：443-449.

[4]黄森，王淼，刘金榕.某型汽车动力传动系扭振分析[J].汽车实用技术，2019（20）：34-36.

[5]杨国秀，李文跃.装载机动力传动系统扭振分析[J].建筑机械， 2019（8）：54-58.

[6]郑昊天，董飞莹，顾俊杰，等.某型柴油机曲轴系的扭振性能分析[J].内燃机，2019（5）：33-37.

[7]姚熊亮，孙士丽，陈玉.高频动载轴承内油膜压力特性[J].机械工程学报，2010， 46（17）：93-99.

[8]王东亮，尹新权，杜遥.柴油机曲轴扭振信号分析研究[J].汽車实用技术， 2018（21）：86-88.

[9]徐可鹏.基于Matlab的内燃机轴系扭转振动程序开发[D].大连：大连理工大学， 2019.

[10]张振京，宋业栋，王洋，等.柴油机曲轴减振器失效实时监测研究[J].内燃机与动力装置， 2019， 36（6）：55-58.