发动机曲轴耦合振动分析及控制技术研究

摘要

曲轴耦合振动是发动机振动噪声主要激励源之一，是发动机振动噪声控制的研究重点。　　本文首先根据零部件的局部坐标系和整体坐标系的转换关系，基于弹性振动理论，建立运动机构在整体坐标系下的弹性振动响应方程，并转化到模态坐标下进行求解计算。其次，针对曲轴主轴颈与主轴承的间隙，建立流体动力润滑和弹性接触的主轴颈-主轴承接合部动力学模型，模型根据膜厚比的不同分情况采用完全流体润滑、混合流体润滑和赫兹接触理论进行主轴颈-主轴承接合部弹性接触力计算，模拟主轴颈-主轴承接合部的动力学行为。最后，基于运动机构的振动响应分析方法，建立考虑发动机系统动力学、弹性振动力学和流体力学行为的耦合振动影响下的发动机曲轴耦合振动理论分析模型。　　结构模态分析是深入了解其动态特性的前提和基础，是结构的振动噪声控制分析的重要前期工作。以发动机缸体为研究对象，对仿真模态和实验模态的模态频率、振型等模态参数进行相关性对比分析，检验有限元模态识别结果的正确性。　　基于发动机曲轴耦合振动分析模型，分别对曲轴的受力、运动、振动情况等进行了分析。组织发动机表面振动台架试验并验证了发动机曲轴耦合振动分析模型计算结果，趋势基本一致，幅值相当。对发动机曲轴耦合分析模型的主轴颈与主轴承接合部的两种模型的结果对比分析，发现油膜润滑的主轴承载荷高频成分更多，轴心轨迹更平顺，油膜润滑模型的计算结果更能反映发动机曲轴主轴颈与主轴承接合部的情况，为发动机主轴承、曲轴等零件的设计提供更准确的参数数据。　　针对本文中的曲轴系统带轮端扭转角过大问题，匹配了扭转减振器。扭转减振器可以有效的解决曲轴系统带轮端的扭转振动过大问题，本文中的曲轴系统带轮端的角速度波动有所改善，其主谐次之和激励下的幅值降低了3.1°，其中2阶和4阶分别降低了2.7°和0.25°，扭振控制效果较好。

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1 绪论

1.1 曲轴耦合振动的研究意义

1.2 国内外曲轴耦合振动研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 运动机构的振动响应分析理论

2.1 运动机构的振动在整体坐标系下的描述方法

2.2 运动机构振动响应方程

2.3 运动机构振动方程的模态解析方法

2.4 本章小结

3 发动机耦合振动响应分析模型

3.1 耦合振动分析模型的定义

3.2 曲柄连杆机构的运动分析模型

3.3 曲柄连杆机构的受力分析模型

3.4 发动机零部件的振动响应分析模型

3.5 发动机耦合振动分析模型

3.6 本章小结

4 主轴颈-主轴承接合部动力学模型

4.1 雷诺方程公式的导出

4.2 主轴颈-主轴承接合部的完全流体润滑模型

4.3 主轴颈-主轴承接合部的混合流体润滑模型

4.4 主轴颈-主轴承接合部的赫兹弹性接触模型

4.5 本章小结

5 发动机缸体仿真模态参数验证

5.1 模态分析基本理论

5.2 发动机缸体的有限元模态分析

5.3 发动机缸体的模态实验

5.4 仿真模态与实验模态对比分析

5.5 本章小结

6 曲轴耦合振动分析

6.1 曲轴耦合振动计算的主要参数

6.2 模型求解的过程

6.3 曲轴耦合动力学分析

6.4 曲轴耦合振动分析

6.5 发动机表面振动试验及计算数据验证

6.6 两种接合部模型的计算结果对比分析

6.7 本章小结

7 曲轴扭转振动的控制技术

7.1 曲轴扭转振动的产生原因、评估方法及常用措施

7.2 扭转减振器设计

7.3 本章总结

8 结论与展望

8.1 论文主要的结论

8.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录