4105型柴油机曲轴弯扭耦合振动的连续分布模型和模态分析研究

摘要

曲轴振动是内燃机振动和噪声的主要来源之一,由于内燃机曲轴振动是三维的,即同时存在扭转、弯曲和纵向振动,因此研究曲轴各种形式的耦合振动对于研究曲轴振动的机理和减振有着重要的现实意义。
　　 本文以4105型柴油机曲轴的弯扭耦合振动为主要研究对象,根据简化原则将曲轴简化为同心阶梯轴,利用直杆弯曲和扭转振动理论,建立曲轴弯扭耦合振动连续分布数学模型。结果表明,当曲轴各部分的形心不在曲轴中心线弯曲振动的平面上时,扭转振动和弯曲振动会发生耦合,形成弯扭耦合振动。
　　 利用试验模态分析对曲轴自由模态下的自由振动、扭转振动、横向弯曲振动和竖向弯曲振动进行研究,分别采用不同的测点布置和参数识别方法,得到了11阶自由振动、6阶扭转振动、5阶竖向弯曲振动和6阶横向弯曲振动;研究了频率接近的6阶自由振动、扭转振动和横向弯曲振动的规律。结果表明,三种振动振型对应,节点位置相同,扭转振动和横向弯曲振动之间存在耦合。扭转振动与竖向弯曲振动振型和频率并不对应,因此并不存在耦合。
　　 利用有限元模态分析方法研究4105型柴油机曲轴,建立了三维几何模型,对模型进行有限元网格划分并进行结构模态计算,获得了2000Hz以下共11阶振型。计算结果表明,曲轴的振动形式主要以扭转振动和弯曲振动为主,其中第5阶、第8阶和第10阶振动为明显的弯扭耦合振动;曲轴两端振动变形量较大,曲柄销过渡圆角处应力集中明显。
　　 对比研究了试验模态振型和有限元模态振型,发现两种方法获得的对应频率之间的相对误差均小于6%。通过比较振型图,发现两种方法获得的振型振动形式相同,振动节点位置相同,最大位移位置相同,所建立的曲轴有限元模型精度满足要求。
　　 利用试验模态分析方法对曲轴纵向振动进行了研究,获得了纵向振动9阶固有频率和振型,分析了纵向振动与扭转振动、弯曲振动振型之间的关系。结果表明,在频率较低时,纵向振动主要由竖向弯曲振动激发,即竖向弯曲纵向耦合振动;在频率较高时,纵向振动主要由横向弯曲振动或扭转振动激发,即扭转纵向耦合振动。