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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。当周期性的激振力矩是一个具有一定规律性（见图1）的已知函数时，可以直接用数学解析法进行傅里叶变换。T=a0+ansin（n+n）=a0+aksin（k+n）式中：l为激励的频率；k为激励的阶次，k取0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5……1.2当量模型轴系的扭转振动当量模型（集中质量—弹簧—阻尼）见图2。图2曲轴系统的集中—弹簧—阻尼当量模型图中：i为转动惯量；c为两惯量间结构扭转刚度；kai为发动机气缸当量阻尼；kii为金属材料的阻尼。对轴系当量简化过程中有转动惯量与扭转刚度的假定。1.3多质量系统的强制扭转振动方程的求解自由振动的动力学方程为（不考虑阻尼）i11″+k1，2（1-2）=0i22″+k1，2（2-1）+k2，3（2-3）=0ikk″+kk-1，k（k-k-1）+kk，k+1（k-k+1）=0inn″+kn-1，n（n-n-1）+kn，n+1（n-n+1）=0用矩阵表示为：（K-2nI）A=0式中：K为刚度矩阵；I为转动惯量矩阵；A为各集中质量的振幅矢量；n为各阶自振频率，等于K关于I的广义特征值。根据求得的自振频率，利用霍尔咨法直接计算各质量的相对振幅。考虑到阻尼，强制振动的动力学方程表示为：（（K-2nI）+inC）A=T式中:C为阻尼矩阵，T为集中质量所受到的扭矩向量。参照系统矩阵法的原理，基于曲轴当量模型动力学方程的线性特性，对曲轴所受激励进行傅利叶变换，分别确定曲轴对每一阶次激励的响应，求解过程中将轴系强制振动的动力学方程转换到复数域内，得到一组复数线性方程，结合相关的矩阵原理得到轴系强制振动的解。2扭转振动计算基本要求和减振器设计过程2.1橡胶减振器针对一款4缸2.3L汽油机橡胶减振器的开发过程，对轴系的扭振分析和减振器的计算过程进行说明。1）对曲轴系统进行集中质量—刚度—阻尼的当量模型简化。对于曲轴的质量与惯量可以直接由3D软件得到，而曲轴系的刚度，可以直接用有限元软件进行计算得到，也可以用经典的公式进行计算。此过程没有包括减振器。2）对自由状态的微分方程进行求解，得到自由状态振动相关参数，为下面计算做准备。4）由最佳定调比和空间布置，初步确定惯性环的惯量。最佳定调比op=，定调比=，其中=，Wd=，Wg=。其中，Id为减振器转动惯量；Ig为轴系的等效转动惯量；Kd为减振器的刚度；Kg为轴系的等效刚度。一般情况下，橡胶减振器不可能同时取得最佳定调比和最佳阻尼，通常情况橡胶减振器的阻尼值小于最佳阻尼，定调比高于最佳定调比。根据初步确定的橡胶减振器的刚度与惯性环的惯量，阻尼一般用相对阻尼（取值范围1～1.3）。5）利用上述基本原理进行轴系多体动力学分析，求解受迫状态的微分方程。同时