内燃机曲轴系统扭转振动-发动机 扭转 振动

浅谈内燃机振动问题内燃机是一种广泛应用的热能动力机械，在汽车、船舶等领域中，均作为主要原动力。

随着内燃机向高速、轻型、大功率方向发展，其振动问题也日益受到关注。

内燃机在工作过程中因受到多种激励的作用而产生复杂的振动，为更好地了解内燃机的振动，从而掌握内燃机的工作状况，针对内燃机部件振动、结构振动、轴系振动和整机振动的振动测试系统、信号处理技术和振动控制技术在不断地发展，其目的是能更精确地反映内燃机振动的真实情况，为内燃机的完善提供明确的指导方向。

本文旨在系统地阐述和内燃机振动相关的现有成果，分析现有方法的特点，以及展望内燃机振动问题的研究前景。

1 内燃机振动产生的机理及振动类型1.1 振动产生的机理由于内燃机的工作过程中存在着多种激振力，导致了内燃机的振动。

这些激振力可分为由于燃烧发生的直接激振力和由于发动机机械工作发生的间接激振力。

只要内燃机运动，本身就存在的激振力，称之为直接激振力，它包括：气缸内的气体压力（燃烧力）、曲柄连杆机构的重力及其惯性力。

在直接激振力作用下，而再次激发的力，称之为间接激振力，通常有活塞敲击、正时齿轮、气门系及燃油喷射系振动。

由于激振力的耦合，导致内燃机的振动具有频带宽、形态复杂、非平稳等特点。

1.2 振动类型内燃机的振动类型通常按照研究重点的不同划分为结构振动、部件振动、轴系扭转振动和整机振动。

1.2.1 结构振动和部件振动结构振动主要是指实际上具有弹性的内部结构部件，如活塞、连杆、曲轴、机体等，在燃烧气体力和惯性力作用下所激起的多种形式的弹性振动，它是诱发内燃机燃烧噪声和活塞敲击噪声的根源。

内燃机的部件很多，它们的振动形式更是多种多样，最常见的是配气系统振动和缸套振动。

前者会破坏气门的正常工作，后者将引起缸套的穴蚀。

就进排气管的气流震荡是部件振动的另一种形式，它对进排气过程乃至内燃机的整个工作性能都有较大的影响。

郭智威[1]对比了不同缸套表面处理对柴油机机体振动的影响，指出缸套表面规则凹坑处理有利于降低机体振动。

《内燃机设计》第二版课后习题答案（袁兆成主编）第一章：内燃机设计总论1-1根据公式 τ2785.0ZD v p P m me e = ，可以知道，当设计的活塞平均速度V m 增加时，可以增加有效功率，请叙述活塞平均速度增加带来的副作用有哪些？具体原因是什么？ 答：①摩擦损失增加，机械效率ηm 下降，活塞组的热负荷增加，机油温度升高，机油承 载能力下降，发动机寿命降低。

②惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低、寿命低。

③进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv 下降。

1-2汽油机的主要优点是什么？柴油机主要优点是什么？ 答：柴油机优点： 1）燃料经济性好。

2）因为没有点火系统，所以工作可靠性和耐久性好。

3）可以通过增压、扩缸来增加功率。

4）防火安全性好，因为柴油挥发性差。

5）CO 和HC 的排放比汽油机少。

汽油机优点：1）空气利用率高，转速高，因而升功率高。

2）因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，所以制造成本低。

3）低温启动性好、加速性好，噪声低。

4）由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小。

5）不冒黑烟，颗粒排放少。

1-3假如柴油机与汽油机的排量一样，都是非增压或者都是增压机型，哪一个升功率高？为什么？答：汽油机的升功率高，在相同进气方式的条件下， ①由PL=Pme*n/30τ可知，汽油机与柴油机的平均有效压力相差不多。

但是由于柴油机后燃较多，在缸径相同情况下，转速明显低于汽油机，因此柴油机的升功率小。

②柴油机的过量空气系数都大于1，进入气缸的空气不能全部与柴油混合，空气利用率低，在转速相同、缸径相同情况下，单位容积发出的功率小于汽油机，因此柴油机的升功率低，汽油机的升功率高。

1-4柴油机与汽油机的汽缸直径、行程都一样，假设D=90mm 、S=90mm ，是否都可以达到相同的最大设计转速（如n=6000r/min ）？为什么？答：对于汽油机能达到，但是柴油机不能。

车用发动机扭转振动的分析与控制摘要：基于扭转振动的基本原理，对发动机两种类型的扭转振动减振器的设计计算做深入的陈述。

结合两款有针对性的发动机，对所要计算的基本参数及该参数所要限定的范围作了具体说明。

最后用本公司自主开发的发动机扭振分析软件对一款发动机进行模拟计算，并与试验测量结果进行对比分析，并证明计算的结果是准确可靠的。

关键词：柴油机；汽油机；曲轴；多体动力学；仿真TorsionalVibrationAnalysisAndControlforEngineonVehicleZHANGFang，WANGBi-fan，LIXian-daiKeywords：dieselengine；gasengine；crankshaft；multi-bodydynamic；simulation内燃机轴系的扭转振动是机械动力学科的一个分支，是内燃机动力学的一部分。

在热动力装置发展初期，由于当时技术水平的限制，在相当长的一段时间内，在轴系的强度设计中，是把轴系按绝对刚性处理的。

当时认为，轴系中的应力变化取决于载荷或其受力情况。

但在19世纪末，在工业发达国家内燃机的广泛应用后，由于在动力交通运输部门中所用的内燃机装置中，各种断轴事故不断发生，这使得工程设计人员认识到，将轴系作为刚体处理是不合适的，必须作为弹性体进行研究。

所以对于扭转振动的研究也逐渐深入。

曲轴扭转振动的主要危害：在曲轴上产生附加扭转应力；引起齿轮敲击产生疲劳与磨损；冲击配气系统；影响整机的振动与噪声。

所以对车用发动机而言，对扭转振动的分析就很重要。

本文主要从原理、减振器匹配所需计算的基本参数及其判据来进行探索。

1基本理论1.1激振力矩的分析内燃机的激振主要包括内燃机工作时气缸内气体压力变化，以及曲柄连杆机构的重力和惯性力所产生的激振力矩。

此激振力矩是一个比较复杂的周期性函数，但是振动现象的本质，实际上都是由简谐性的振动所组成。

为了要区别地研究各种简谐次数下的振动规律，既要研究在各种不同谐次的简谐激振力矩作用下的振动现象，又需要对由比较复杂的周期性函数所组成的激振力矩进行简谐分析。

发动机-内燃机轴系扭转振动文献综述内燃机轴系扭转振动内燃机是人类历史上贡献最大也得到最广泛应用的热能动力机械，在路面交通、海洋船舶甚至航空等领域都作为主要动力源，然而随着其向着高速、小型强化、大功率方向发展，随着全世界车辆法规的健全合理化，对振动以及噪声问题的研究显得愈发重要。

作为内燃机的主要零件之一的曲轴，它的结构参数在很大程度上不仅影响着内燃机的整体尺寸和质量，而且也影响着内燃机的可靠性和寿命。

随着内燃机的不断强化，轴系的扭转振动问题也日益突出。

因此在内燃机的设计阶段就应该充分重视扭振问题。

首先应该对其进行计算和分析，必要时采取避振与减振措施，以消除扭振的威胁。

同时有研究表明，曲轴是内燃机的主要噪声源之一，而且曲轴的振动又会传递到机体和其他附件上引起更多的振动和噪声，因此，内燃机及其动力装置轴系的扭转振动是影响安全运行以及噪声控制的重要问题之一。

现代内燃机设计中提出了NVH的概念，通过这一概念来衡量内燃机性能的优劣[2]。

从这一概念可以看出，内燃机的振动和噪声在现代内燃机设计中的重要地位因此研究内燃机曲轴的振动特点对提高曲轴强度，减小并控制内燃机的振动，提高整机的工作可靠性，改善船舶、汽车等交通工具的舒适性都有重要意义。

1内燃机曲轴轴系扭转振动研究的发展历程[7]:内燃机轴系的扭转振动是机械动力学科的一个分支，是内燃机动力学的一部分，在热动力装置发展初期，由于当时技术水平的限制，在相当长的一段时间内，在轴系的强度设计工作中，是把轴系按绝对刚性处理的。

当时认为，轴系中的应力变化完全取决于载荷或受力情况。

但在世纪末，在工业发达国家对内燃机的广泛应用后，由于在动力交通运输部门中所使用的内燃机装置中，各种断轴事故不断发生，这使得工程设计人员认识到，将轴系作为绝对刚体来处理是不合适的，必须作为弹性体进行研究。

从世纪末到世纪初，各种断轴事故的分析报告及有关文章逐渐出现，对于扭转振动的研究也逐渐深入。

内燃机轴系装置之所以能产生扭转振动，其内因是轴系本身不但具有惯性，还具有弹性，由此确定了其固有的自由振动特性。

内燃机振动及各类发动机的振动特点目前的发动机大多是有活塞往复式的四冲程发动机与二冲程发动机为主，此前还有转子发动机与涡轮式发动机，作为兼容性最好，动力输出稳定的往复式四冲程发动机被作为各类动力源，应用在各个领域中。

最常见的当然是汽车。

按照燃料类型内燃机又被分为：•汽油机、柴油机；•生物质内燃机；•混合气内燃机。

由于不同类型的燃料特质，内燃机发展出很多类型。

当然我们今天要说的不是这些基础的知识。

作为引擎性能指数之一，引擎的振声指标（振动噪声）在业内常被作为产品的重要指标之一。

我们常听到车主玩家所说的声线是否饱满，发动机抖动都是振声指标的一个特性。

这个特性可以体现出引擎设计的工况和设计缺陷，目前全球沃德十佳发动机的评选振声测试是其重要指标！噪声和振动是两回事很多人喜欢把噪声和振动放在一块讲，这其实是挺冤的一件事。

引擎能够发出噪音的地方有很多，首先在同等排量情况下，压缩比的不同会让引擎发出的声音略微不同。

同排量的涡轮增压和自吸放在一起声调不同就是个最好的例子。

其次在配气过程中DOHC和SOHC （双顶与单顶）的不同结构也会发出不同的声噪。

夸张的说，用不同的开启气门的摇臂产生的声噪也会不一样。

但是振动就不一样了，无论你是800rpm还是3500rpm，抖动幅度绝对是一个会影响动力输出稳定性的因素，也是对传动系统影响比较大的要素之一。

我们首先要了解一下发动机为什么会振动。

内燃机在做功需要经过吸气、压缩、燃爆与排气四个动作。

在这个过程中只有燃爆做功是活塞被动受力，无论是三缸机，四缸机还是六缸机十缸机，这些动作是必不可少的。

那么在这个过程中有三振动要素出现了：•一是活塞连杆机构与曲轴往复之间的往复惯性力；•二是曲轴平衡重在圆周循环中因为平衡差造成的离心惯性力；•三是不同的压缩比带来不同的气缸压力造成的振动。

很多人说三缸机的抖动要大于四缸机，四缸机的抖动要远大于六缸机，不知道这是为什么直缸的要大于V缸的，V缸的要大于H缸的。

发动机曲轴的扭转振动分析作者：张震来源：《青年与社会》2014年第23期【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。

2 扭转减振器介绍2.1 扭转振动的控制方法对于曲轴的扭振，如果在内燃机工作转速范围内，根据扭振计算以及实测发 现内燃机确实存在着较大的扭转振动，就必须采取适当的措施，以便将扭转振动 予以回避或者将其消减，以保证内燃机工作的安全可靠。

扭转振动的避振预防措 施有很多种，可综合归纳为以下三种方法[5,6]： (1) 频率调整法 由扭转振动特性可知， 当激励扭振的作用频率ω与扭转振动系统的某一固有 频率 ω0 相同时，将会发生极其剧烈的动态放大现象，即共振现象。

因此耍避 开发生ω=ω0，的可能，也即避开动态放大最严重的工况，就可能免除扭转振动 过大所引起的一切后果。

本方法的基本概念就是使ω主动躲过ω0 。

这种方法主 要措施有调整惯量法、调整柔度法等。

通过调整，使系统本身的自振频率躲过激 振频率。

使振动应力降至瞬时许用应力范围之内，这样就避免了因扭转振动过大 对内燃机造成损害。

这种方法是扭转振动预防措施中应用最广的措施之一，这不 仅是由于它的措施比较简易可行，还在于当达到调频要求以后，它的工作将是有 效的与可靠的。

但频率调整法有个缺点是调频的幅度较小，以至于在实际应用中 受到限制。

(2) 减小振能法 激励扭矩是导致扭转振动的动力源。

由于激励扭矩输人系统的能量是扭转振 动得以维持的源泉，如果能够减小输人系统的振动能量，也就能直接减小扭转振 动的量级。

方法之一是改变内燃机的发火顺序，当在机器所使用的转速范围内， 危险的扭转振动是副临界转速时，有可能用此方法来消减危险的扭转振动，减小 其危险程度。

方法之二是改变曲柄布置， 在多缸内燃机中故意选用非等间隔发火， 适当选择曲柄角以改变曲柄布置，可以使任何主、副临界转速中的某些简谐扭振 相互抵消而避开危险的扭转振动。

方法之三是选择最佳的曲柄与功率输出装置的 相对位置，使二者的干扰扭矩互相抵消，可以消减曲轴的扭转振动。

(3) 装设减振器 装设减振器能改变轴系的扭振特性。

汽车发动机曲轴扭转振动分析及控制社会经济在进行着快速的发展中，人们对于汽车的使用量也在逐渐的增加，我国对于汽车建设中是要求也越加严苛。

在汽车公司进行汽车设计的过程中，对于发动机及行驶中的稳定程度越加重视。

汽车发动机曲轴扭转振动是汽车公司在对于发动机研究中的热点课题。

本为对于发动机的曲轴扭转技术进行较为全面的分析。

标签：曲轴系；扭转振动；优化设计0 前言增加对于汽车发动机的振动分析与控制，在一定程度上面可以将汽车的内部结构进行优化，增加发动机的使用时间与汽车行驶过程中的稳定性能。

曲轴扭转是发动机在工作过程中的主要部件，性能的好坏将直接对于汽车的整体性能进行影响。

本文主要对于汽车中的曲轴扭转振动进行分析研究，这项研究是十分具有实际意义的。

1 汽车发动机曲轴扭转振动系统理论分析1.1 ADAMS多刚体动力学理论ADAMS动力学理论主要使用坐标方程式进行汽车在行驶中的发动机系统的分析。

在ADAMS动力学理论中，将动力系统内的关性参考系中的坐标与方位坐标进行标注，并使用相对应的数学方程式进行多余坐标的约束，进而将已经标注的坐标进行变量。

在对于动力学的分析过程中，使用数学方程式可以将计算的效率进行大幅度提升。

1.2 ADAMS多柔体动力学理论在进行汽车生产建设中，在机械系统中已经广泛使用柔性材料，是生产设备运行中速度较快，但是运行的精度也在不断的提升，设备内的动力学性能变得更加繁琐。

刚性研究体系已经不能满足对于动力学的研究，因此柔体动力学理论就在这种情况下产生。

这种研究体系一般情况下是以刚性动力学体系作为参照依据，在对于柔体的研究中进常采用不同的处理形式。

在一定程度上面刚性与柔性的个、动力学体系进行共同使用，可以对系统中的动力学进行更加全面的认识[1]。

2 曲轴动力学研究模型2.1 三维几何模型三维几何模型可以将曲轴系统的中每个零件间的关系进行清晰的展示。

按照零件的规格与参数，利用相对应的三维软件就可以建立相对应的三维几何模型。