发动机曲轴扭振的多体动力学分析.doc

发动机曲轴扭振的多体动力学分析 汽　车　工　程 2005年(第27卷)第2期AutomotiveEngineering2005(Vol.27)No. 2 2005058 段秀兵1,郝志勇2,岳东鹏1,宋宝安1 (11天津大学机械工程学院,天津　300072;　21浙江大学机械与能源学院,杭州　310027) 　　[摘要]　采用结合有限元法(FEM)的多体系统仿真(MSS)方法对汽车发动机曲轴进行扭转振动分析建立了包括柔性曲轴的车用发动机曲轴系统的多体动力学模型根据多体动力学仿真计算结果,分析了曲轴的扭转振动,测量了曲轴自由端的扭转振动,与仿真计算结果吻合较好 关键词:汽车发动机,曲轴,扭振 Multi2bodyDynamicsAnalysisonTorsionalVibrationof AutomotiveEngineCrankshaft DuanXiubing1,HaoZhiyong2,YueDongpeng1&SongBao’an1 1.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072; 2.SchoolofMechanicalandEnergyEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027 　　[Abstract]　Byusingmulti2bodysystemsimulation(MSS)method,combinedwithfiniteelementanalysis (FEA),thetorsionalvibrationofautomotiveenginecrankshaftisanalyzedinthispaper.Themulti2bodydy2namicsmodelforthecrankshaftassemblyincludingflexiblecrankshaftisestablished.Thetorsionalvibrationofcrankshaftisanalyzedbasedontheresultsofmulti2bodydynamicssimulation.Thetorsionalvibrationatthefree2endofcrankshaftwasmeasured,whichcoincideswellwiththesimulation. Keywords:Automotiveengine,Crankshaft,Torsionalvibration 1　前言 多年来,内燃机曲轴的扭转振动一直是人们为提高发动机工作的可靠性、减轻发动机零部件及整机的振动、减小发动机表面的噪声辐射而努力研究的课题。

最初的曲轴扭转振动研究,主要是从提高发动机工作的可靠性出发,通过预测曲轴的扭转应力而预知曲轴的可靠性因为发动机曲轴系的扭转振动,特别是当曲轴扭振的固有频率与发动机工作时扭矩的主谐次或强谐次的频率一致或者接近时,扭振就更为剧烈,曲轴的扭转应力急剧增大,影响发动机工作的可靠性 近十年来,在产品设计与研究上提出了NVH 3国家自然科学基金资助项目(50175078) 概念(即振动、噪声、行驶平顺性),而这三者中振动是基础是否具有良好的NVH性能将是决定发动机能否被市场接受的重要条件众所周知,曲轴的扭转振动是整机激励源中最重要的因素之一准确地预测曲轴的各向振动是当前一个很重要的研究方向这就需要对设计中的发动机进行动力学特性分析 自从人们首次注意到扭振的危害以后,已经相继发展了多种方法来研究轴系的扭振问题[1-4]早期的曲轴扭转振动研究主要是采用离散化方法,将曲轴离散化为一系列的集总惯量、集总刚度,然后计算它在缸内气体力和往复惯性力产生的转矩作用下的摆动角度但由于简化计算,精度较低 为了得到更加准确的计算结果,所建立的曲轴模型必须能够尽量准确地模拟曲轴实际的力学状 原稿收到日期为2003年12月23日,修改稿收到日期为2004年4月21日。

1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ?234?汽　车　工　程 　　2005年(第27卷)第2 期 态曲轴系统扭振研究既要考虑刚体运动,还要考 虑微观振动,综合求解规模和求解精度,结合有限元方法(FEM)的多体系统仿真(MSS)是解决这类问题比较合适的方法 输出功率为149kW,施加摩擦时其输出功率为141kW,而额定功率为120kW,所以柴油机附件消耗功率为21kW为了真实反映曲轴负荷状态,把该工况下的附件消耗的功率施加到皮带轮端 在汽车发动机中,为了控制曲轴的扭转振动,一般要安装橡胶弹性扭转减振器该减振器的出厂动态参数包括固有频率、阻尼比和温度文中忽略温度的影响,通过计算可以得出扭转减振器的刚度和阻尼以此刚度和阻尼将皮带轮和曲轴连接 主轴承是发动机曲轴系统动力学分析中非常重要的环节已经有很多文章对油膜进行研究[5-7]对主轴承的模拟有线性弹簧阻尼、非线性弹簧阻尼、流体有限元等模型对弹簧阻尼模型中一个曲轴轴颈又常采用单排、双排和三排弹簧阻尼支撑。

图1为三排弹簧阻尼 作者主要研究曲轴的扭转振动,而且最主要的是一阶扭转振动,采用相对简单的单排线性弹簧阻尼模型即可 文中采用如图2所示的支撑图1　三排弹簧阻尼方式来模拟机体主轴承和主 轴承润滑油膜对曲轴的约束支撑作用,可以采用水平和竖直两个方向的弹簧单元来模拟主轴承对曲轴的约束作用 2　曲轴扭转振动分析模型 曲轴扭转振动的多体系统动力学分析模型主要包括曲轴的柔性体模型,活塞组件、连杆组件以及飞轮和皮带轮的刚体模型,各构件间的联接副以及作用于系统上的外力下面分别介绍各部分的建模方法,以某6102型柴油机为例进行分析211　曲轴柔性体模型的建立 由于曲轴作为发动机的中枢,其柔性作用对整个发动机的动力学特性有非常重要的影响,所以曲轴在工作时产生的弹性变形必须在计算分析中予以考虑 建立曲轴的有限元模型,进行模态综合分析,产生一个包含曲轴的材料、节点、单元和模态信息的模态中性文件,以输入ADAMS中建立曲轴的柔性体模型 因为要分析曲轴的扭振特性,曲轴的结构阻尼必须考虑结构阻尼随频率是变化的,通过模态实验得出各阶模态的阻尼比,在ADAMS中分别赋予对应的模态。

212　刚体模型的建立对于刚体模型,多体动力学分析需要的参数是零件的质心、质量和惯性矩通过精确建立零件的三维实体模型,可以获得其准确的动力学分析参数 分别建立活塞组件、连杆组件以及飞轮和皮带轮的三维实体模型,导入ADAMS中建立刚体模型213　施加约束和作用力 图2　曲轴主轴承支撑示意图 根据零件间的实际运动关系将运动副简化成ADAMS中的理想约束其中,活塞销与活塞、活塞销与连杆小头、连杆大头与曲柄销简化成铰链约束;考虑轴向止推片限制曲轴窜动的作用活塞和汽缸套间简化为滑动约束,不考虑汽缸套的弹性变形作用 根据该型柴油机的各项工作性能指标,确定结构的工作参数该型柴油机的额定工况为120kW/2800r?min-1,各缸的工作顺序为1—5—3—6—2—4将实测的汽缸压力(采样频率为44kHz),施加到活塞上对曲柄连杆机构进行某转速下的动力学计算如转速为2400r/min时,不施加摩擦力,该机构 建立曲轴多体系统模型如图3所示本模型用于分析稳定工况下的曲轴扭转振动,不考虑瞬态情况 3　结果分析与对比 图3　曲柄连杆机构 多体系统模型 首先,对建立的曲轴系统进行扭转振动频率响应分析。

对于直列6缸的发动机,其激励较大的主谐次为3、6、9、12谐次,强谐次为115、415、715、1115谐次文中研究的某6102型柴油机的转速范围在 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2005年(第27卷)第2期 　　汽　车　工　 程?235? 700～2800r/min,即基频在1117～4617Hz之间 从10Hz到1000Hz进行扫频,得出曲轴系统扭转振动的频率响应函数,如图4所示 的一致性,都具有下列共同特点:(1)曲轴的最大扭转位移发生在6谐次并且都在较宽的转速范围内有较大的振幅;(2)测量结果与计算结果都表明415谐次的振幅随着转速的升高而增大,说明其最大峰值点转速在发动机工作转速范围之外,因此车辆在行驶过程中应严格限制超速工况的发生;(3)715谐次在1900r/min左右有一个扭振峰值 图4　曲轴系统扭振频响函数 　　可以从图4中得出一、二阶曲轴系统的扭转固有频率241Hz、31315Hz。

对于曲轴系统的一阶扭转振动固有频率来说,415、6、715、9、1115、12谐次激振力矩在发动机转速范围内都对应有相应的转速;对于曲轴的二阶扭转振动固有频率来说,715、9、1115、12谐次激振力矩在发动机转速范围内都对应有相应的转速由于9、1115、12谐次激振力矩较小,所以仅考虑415、6、715谐次 曲轴系统的扭振频率响应分析,可以确定扭转振动临界转速由扭振固有频率,在转速范围内可以得出6谐次在2410r/min,715谐次在1928r/min、2508r/min转速将发生扭转振动的峰值 其次,对建立的多体系统模型进行扭振分析在不同转速,施加不同的汽缸压力和附件消耗功率 最后,对该发动机进行曲轴系统扭振实验测量图5是曲轴系统测量布置图 图6　曲轴扭振计算结果与测量结果的对比 各谐次的扭振峰值转速和扭振幅值的仿真值与实测值有一定差别,表现在振动幅值和峰值对应的频率上这主要是由模型简化以及仿真中曲轴结构阻尼的误差所导致的结构阻尼是难以准确确定的参数,模型与实际结构的阻尼不可避免地会有误差 可见用文中的方法能够比较准确地预测实际发动机轴系的扭转振动情况。

需要说明的是,扭振谐次对比图中只是将离散的点连线,并不能表示相邻转速间的情况有可能的话,将进一步减小转速间隔进行分析 4　结束语 通过与测量结果对比可见用作者提出的方法能够比较准确地预测实际发动机轴系扭转振动情况 (下转) 　　图6是曲轴系统扭振计算与测量结果的对比可以看出仿真计算的结果与实验测量的结果有较好 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ?250?汽　车　工　程 　　2005年(第27卷)第2 期 有　x=(Fb,Fd) 50≤Fb≤90　0≤Fd≤35且满足约束　gFLD(x)<0 两变量的优化历程如图7所示经过5次迭代后最优压边力和等效拉延筋力分别收敛于7118kN和2516N/mm,最高响应面近似模型为三次多项式形式结果表明:当明确设计目标和约束并精选待优化设计变量、固定其它参数时,响应面优化方法。