發(fā)動機(jī)扭轉(zhuǎn)減振皮帶輪的匹配試驗研究

陳小強(qiáng)

摘要：對某四缸汽油機(jī)進(jìn)行不同頻率的皮帶輪匹配臺架試驗測試，在發(fā)動機(jī)全負(fù)荷加速工況下采集曲軸轉(zhuǎn)速信號并進(jìn)行扭振分析，結(jié)果表明頻率為340Hz扭轉(zhuǎn)減振皮帶輪滿足對單諧階扭轉(zhuǎn)角位移和各諧階扭轉(zhuǎn)角位移之和的設(shè)計要求，且能有效衰減曲軸扭振，因此確定該發(fā)動機(jī)匹配340Hz頻率的扭轉(zhuǎn)減振皮帶輪。

關(guān)鍵詞：皮帶輪;扭振;頻率;角位移

中圖分類號：U464.133.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0011-03

0? 引言

發(fā)動機(jī)曲軸承受著氣缸內(nèi)混合氣燃燒壓力和運動部件的慣性力，這些作用力是周期性變化的載荷。作為一個具有慣性質(zhì)量的彈性系統(tǒng)，曲軸在周期性變化的轉(zhuǎn)矩作用下，各軸段間必然會發(fā)生周期性扭轉(zhuǎn)振動[1]。近幾年隨著發(fā)動機(jī)逐漸朝小型化和高功率的方向發(fā)展，扭轉(zhuǎn)振動則進(jìn)一步加劇[2]，尤其是在某一轉(zhuǎn)速下當(dāng)強(qiáng)迫扭振頻率和曲軸系自身固有頻率相當(dāng)時，扭振振幅明顯增大，從而產(chǎn)生曲軸共振[3]。共振現(xiàn)象對發(fā)動機(jī)工作影響很大，輕則前端輪系噪聲增大，機(jī)體振動增加，影響整車舒適性，重則曲軸斷裂，發(fā)生安全事故。

目前車用汽油機(jī)改善扭振常用方法是在曲軸前端安裝扭轉(zhuǎn)減振皮帶輪，其工作原理是通過皮帶輪中的橡膠阻尼來吸收曲軸的扭振能量從而降低振動噪聲[4]，因此汽油機(jī)曲軸皮帶輪的匹配設(shè)計十分重要。

本文基于已有仿真計算結(jié)果，利用LMS測試設(shè)備，對不同頻率的扭轉(zhuǎn)減振皮帶輪進(jìn)行臺架測試，通過扭振特性分析，為發(fā)動機(jī)匹配最佳頻率的減振皮帶輪。

1? 試驗測試

扭轉(zhuǎn)減振皮帶輪由輪轂、橡膠層和慣量環(huán)三部分構(gòu)成，其中慣量環(huán)轉(zhuǎn)動慣量和皮帶輪頻率會影響扭振幅值。根據(jù)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，皮帶輪的轉(zhuǎn)動慣量保持不變，只改變皮帶輪頻率，以測試發(fā)動機(jī)匹配不同頻率皮帶輪時對扭振的控制效果，皮帶輪頻率的調(diào)節(jié)一般通過改變橡膠參數(shù)來實現(xiàn)。經(jīng)前期仿真分析和廠家試制，本次試驗的四個皮帶輪設(shè)計參數(shù)見表1。

測試所用為某直列四缸1.5T增壓汽油機(jī)，AVL發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)飛輪側(cè)與測功機(jī)輸入軸進(jìn)行固定連接。數(shù)據(jù)采集為西門子LMS測試設(shè)備，通過編碼器采集皮帶輪輪轂的轉(zhuǎn)速信號，編碼器每轉(zhuǎn)輸出600個脈沖信號。編碼器通過工裝固定安裝在發(fā)動機(jī)前端，同時保證其與發(fā)動機(jī)曲軸同軸，測試安裝如圖1所示。

測試工況為發(fā)動機(jī)全負(fù)荷勻加速1000-5500rpm，數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)起動發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱機(jī)，確保發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、機(jī)油溫度等達(dá)到規(guī)定范圍值，然后再進(jìn)行試驗。

試驗過程中，LMS測試系統(tǒng)將編碼器采集的轉(zhuǎn)速脈沖信號計算成角速度信號，然后再對其積分計算成角位移，最后測試系統(tǒng)通過傅里葉變換將時域角位移信號轉(zhuǎn)換成頻域角位移，從而得到不同諧階的扭轉(zhuǎn)角位移振幅隨轉(zhuǎn)速變化的結(jié)果。

2? 數(shù)據(jù)分析

將測試數(shù)據(jù)在LMS Test.Lab軟件中分析計算。由于本次試驗對象為四缸發(fā)動機(jī)，在一個工作循環(huán)中曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，發(fā)動機(jī)點火四次，因此發(fā)動機(jī)的主要諧階為2、4、6、8等諧階。但發(fā)動機(jī)2諧階扭轉(zhuǎn)角位移受滾振影響較大，而滾振一般稱為零節(jié)點振動，其特征為振動角位移振幅與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成反比，一般在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)域扭振幅值較大，隨著轉(zhuǎn)速的升高振動幅值逐漸減小，所以在扭振分析時應(yīng)剔除2諧階的數(shù)據(jù)，其次10諧階以上扭轉(zhuǎn)角位移較小可忽略不計，因此本文主要分析4、6、8、10各諧階扭轉(zhuǎn)角位移。

根據(jù)工程經(jīng)驗，一般要求在發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，皮帶輪的單諧階扭轉(zhuǎn)角位移最大值小于0.1°，且各諧階扭轉(zhuǎn)角位移之和最大值小于0.2°，則認(rèn)為發(fā)動機(jī)的扭振可接受，皮帶輪的匹配效果較好。

2.1 單諧階測試結(jié)果

從圖2-圖5可以看出在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速段，所有皮帶輪的4諧階扭轉(zhuǎn)角位移均較大，這是由于在低轉(zhuǎn)速段受到曲軸滾振的影響，因此在數(shù)據(jù)分析時應(yīng)忽略4諧階低轉(zhuǎn)速段的測試結(jié)果。皮帶輪4、6、8和10各諧階扭轉(zhuǎn)角位移最大值及對應(yīng)轉(zhuǎn)速如表2所示。

從表2中可以看出1#皮帶輪6諧階、2#皮帶輪4諧階和4#皮帶輪4諧階的扭轉(zhuǎn)角位移最大值均超過0.1°，不滿足對曲軸扭振衰減的設(shè)計要求。3#皮帶輪各諧階扭轉(zhuǎn)角位移最大值都小于0.1°，其中最大為4諧階0.093°，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為4883rpm，避開了發(fā)動機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速范圍，滿足對皮帶輪扭振單諧階的設(shè)計要求。

2.2 各諧階扭轉(zhuǎn)角之和

3? 總結(jié)

①對四種不同頻率皮帶輪的4、6、8和10諧階進(jìn)行扭振分析，340Hz頻率的皮帶輪各單諧階扭轉(zhuǎn)角幅值小于0.1°，滿足設(shè)計要求。②331Hz和340Hz頻率皮帶輪各諧階扭轉(zhuǎn)角之和小于0.2°，滿足設(shè)計要求。③綜合分析，選擇340Hz頻率皮帶輪作為最佳匹配結(jié)果，且能對發(fā)動機(jī)扭振有很好衰減效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李亞男.曲軸扭振對發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲性能影響的研究[D].浙江大學(xué)，2017.

[2]張棟，張良良，高文志，等.2.8T柴油機(jī)軸系扭振特性測試與分析[J].機(jī)械設(shè)計，2014，31（11）：73-74.

[3]李靜，王東方，繆小冬，等.發(fā)動機(jī)曲軸扭振仿真分析與研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造工程，2017，46（5）：41.

[4]王國峰.汽車發(fā)動機(jī)曲軸扭振減振器設(shè)計[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（13）：31-32.