陳 翔,崔志琴
(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院,山西 太原 030051)
曲軸軸系的振動是影響發(fā)動機NVH性能的重要因素。發(fā)動機工作過程中,曲軸曲拐上作用著周期變化的切向力,使曲軸發(fā)生周期性扭轉(zhuǎn)變形,最終引發(fā)曲軸軸系的扭轉(zhuǎn)振動。曲軸軸系的扭振頻率較低,易在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生強烈共振[1]。如不加以預(yù)防或消減,輕則引發(fā)較大的噪聲,重則使曲軸扭斷。因此,扭轉(zhuǎn)振動問題對發(fā)動機曲軸系的設(shè)計者來說是不可忽視的。隨著對NVH性能的要求越來越高,對曲軸軸系扭振問題的研究需要更加全面和深入。
采用曲柄連桿機構(gòu)的發(fā)動機,其產(chǎn)生的發(fā)動機振動特點是多振源、寬頻帶、形態(tài)復(fù)雜,不能用一種振動類型加以概括。通常按照研究重點的不同,將發(fā)動機的振動劃分為整機振動、結(jié)構(gòu)振動、軸系扭轉(zhuǎn)振動和部件振動4種類型。它們當中有的著重于整機振動品質(zhì)的評價,有的著眼于噪聲的控制,有的則是對某些特殊振動性能的研究,因而在條件假設(shè)、理論模型、擊振力分析方法、振動形態(tài)以及對發(fā)動機本身和周圍環(huán)境的影響等方面,這幾種振動類型都存在著較大的差異。以往研究表明,曲軸是引發(fā)發(fā)動機振動和噪聲的主要部件。一直以來,人們對軸系扭振做了大量的研究,也取得了相當?shù)某煽?,它也是人們研究最早、研究得最多的發(fā)動機振動類型。
科研工作者在對發(fā)動機的長期研究中,總結(jié)發(fā)現(xiàn)軸系扭振具有必然性、潛伏性、事故突發(fā)性這3個特點。發(fā)動機在工作過程中,曲軸軸系受到周期性變化的復(fù)諧扭矩的作用。由于具備這些條件,導(dǎo)致曲軸系扭轉(zhuǎn)振動不僅必然時刻存在,而且非常顯著,但是不易被發(fā)現(xiàn),一般需要采用專門的檢測儀器對其進行監(jiān)測。正是由于扭振的潛伏性,在早期,其存在容易被人忽視。而交變應(yīng)力的長期作用使得曲軸軸系疲勞積累逐漸加強,形成裂紋,造成曲軸系的突然斷裂,而在此之前,軸系并沒有顯示明顯癥狀。曲軸扭轉(zhuǎn)振動除了對自身產(chǎn)生不利影響外,也對配套設(shè)備軸系產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致相關(guān)部件的損壞。
為了能方便地計算曲軸軸系的固有頻率,應(yīng)把實際系統(tǒng)抽象成一個比較簡單的力學(xué)計算模型[2]。目前,研究中用于振動計算的曲軸軸系模型分為兩種:一種是集總參數(shù)模型,它是把曲軸離散化為一系列的集中慣量、集中剛度,然后計算它在扭矩作用下產(chǎn)生的擺動角度;另一種是分布參數(shù)模型,它是把軸系的質(zhì)量沿軸線連續(xù)分布,使計算模型更逼近于實際[3]。在分布參數(shù)模型中,除了框架模型和階梯軸模型兩種以外,還有目前研究使用較多的有限元模型[4-5]。
有限元理論和計算機技術(shù)的發(fā)展促使各種先進的有限元軟件的出現(xiàn)。曲軸的有限元計算模型經(jīng)歷了從1/4和1/2曲拐的有限元模型發(fā)展到后來的單個曲拐的有限元模型[6-8],再到現(xiàn)在的整體曲軸有限元模型,如圖1所示。
圖1 曲軸整體有限元模型
曲軸整體有限元模型與其他傳統(tǒng)模型相比,其優(yōu)點是計算精度高、更貼近曲軸實際情況;其缺點是計算規(guī)模巨大,網(wǎng)格劃分產(chǎn)生的節(jié)點數(shù)較多,模型建立比較復(fù)雜,計算結(jié)果顯得保守。
對于發(fā)動機曲軸軸系扭振的力學(xué)模型的計算方法的研究,從1921年德國學(xué)者霍爾茲提出霍爾茲法開始,已經(jīng)有接近100年的時間。霍爾茲法作為軸系振動力學(xué)計算的經(jīng)典方法,在工程實際中曾被廣泛應(yīng)用。20世紀60年代,傳遞矩陣法被應(yīng)用到曲軸振動的研究中,成為分析各種振動問題常用的方法。到20世紀70年代,Doughty等在分析有阻尼情況下的曲軸系振動時,進一步將傳遞矩陣擴展開應(yīng)用。這兩種方法雖然在分析振動問題中計算簡單、使用方便,但是對高階計算的精度較低。隨著后續(xù)一些學(xué)者對計算方法研究的深入,新的計算方法出現(xiàn),使計算精度得到較大的提高。Nadolski、郝志勇等將彈性波傳播理論應(yīng)用于曲軸軸系振動力學(xué)問題的分析中,這種方法由于解題過程中僅需求解線性方程組,因此其計算量較小,是一種精確、快速的振動分析計算方法。1973年Bagci首次將有限元法用于曲軸的動力學(xué)分析,其成為目前公認的精度最高的計算方法。但其在分析計算過程中存在耗時長、占用內(nèi)存大、編程復(fù)雜等不足,需要人們從改進有限元模型著手來提高計算效率。
近些年,許多學(xué)者采用多體動力學(xué)與有限元技術(shù)相結(jié)合的方法對整體曲軸系統(tǒng)的振動力學(xué)以及曲軸振動與機體剛度的耦合振動進行分析。如:Z.P.Mourelatos[9]等人,采用此方法來分析曲軸扭轉(zhuǎn)振動及機體剛度對曲軸振動的影響等等;覃文潔、郝志勇等國內(nèi)研究學(xué)者通過將有限元法和多體動力學(xué)方法結(jié)合起來研究曲軸的振動特性和軸系的扭振分析。用該方法所建立的曲軸模型能夠準確地模擬曲軸實際力學(xué)狀態(tài),并在扭振研究中考慮了剛體運動、微觀振動、綜合求解規(guī)模和求解精度。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動的研究在不斷深入,其計算模型也日益精確,所用的計算方法也不斷變得完善。采用多體動力學(xué)與有限元相結(jié)合的方法,因其所建模型能模擬實際軸系的力學(xué)狀態(tài),有較高的計算精度,在目前和將來是人們研究軸系扭振較好的方法。然而,曲軸系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng),建立模型時,需要考慮各種復(fù)雜的非線性因素,因此,求解該類型的非線性振動將是人們需要研究的重要問題。
[1] 高鋒軍.工程車輛柴油機軸系扭振特性分析及測試研究[D].長春:吉林大學(xué),2005:1-16.
[2] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[3] 程曉鳴.基于虛擬樣機技術(shù)的曲軸系統(tǒng)多體動力學(xué)研究[D].天津:天津大學(xué),2006:2-7.
[4] 張標標,徐志軍,葛蘊珊.6120型車用發(fā)動機曲軸軸向振動的分析研究[J].內(nèi)燃機工程,2001,22(4):20-23.
[5] 雷宣揚,宋希,薛冬新.內(nèi)燃機曲軸振動特性的三維模擬—基于二次 Timoshenko梁單元[J].內(nèi)燃機工程,2002,23(6):42-46.
[6] 杜發(fā)榮,姬芬竹,李明輝,等.YT1115型柴油機曲軸疲勞強度分析[J].洛陽工學(xué)院學(xué)報,2001,22(3):24-27.
[7] 馮國勝,張幽彤,張玉申.柴油機曲軸靜動特性的三維有限元分析[J].內(nèi)燃機工程,2003,24(2):74-77.
[8] 李彥坦,鄭再象,沈輝.基于I-DEAS的發(fā)動機曲軸靜強度分析[J].中國農(nóng)機化,2003(6):26-29.
[9] Mourelatos Z P.A crankshaft system model for structural dynamic analysis of internal combustion engines[J].Computer﹠Structures,2001,79(20-21):2009-2027.