陳小強(qiáng)

摘要：對(duì)某四缸汽油機(jī)進(jìn)行不同頻率的皮帶輪匹配臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試，在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷加速工況下采集曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)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(duì)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(jì)要求，且能有效衰減曲軸扭振，因此確定該發(fā)動(dòng)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(hào)：U464.133.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0011-03

0? 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸承受著氣缸內(nèi)混合氣燃燒壓力和運(yùn)動(dòng)部件的慣性力，這些作用力是周期性變化的載荷。作為一個(gè)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(huì)發(fā)生周期性扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[1]。近幾年隨著發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸朝小型化和高功率的方向發(fā)展，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(shí)，扭振振幅明顯增大，從而產(chǎn)生曲軸共振[3]。共振現(xiàn)象對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作影響很大，輕則前端輪系噪聲增大，機(jī)體振動(dòng)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(dòng)噪聲[4]，因此汽油機(jī)曲軸皮帶輪的匹配設(shè)計(jì)十分重要。

本文基于已有仿真計(jì)算結(jié)果，利用LMS測(cè)試設(shè)備，對(duì)不同頻率的扭轉(zhuǎn)減振皮帶輪進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，通過扭振特性分析，為發(fā)動(dòng)機(jī)匹配最佳頻率的減振皮帶輪。

1? 試驗(yàn)測(cè)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(dòng)慣量和皮帶輪頻率會(huì)影響扭振幅值。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持不變，只改變皮帶輪頻率，以測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不同頻率皮帶輪時(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)。經(jīng)前期仿真分析和廠家試制，本次試驗(yàn)的四個(gè)皮帶輪設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

測(cè)試所用為某直列四缸1.5T增壓汽油機(jī)，AVL發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪側(cè)與測(cè)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(cè)試設(shè)備，通過編碼器采集皮帶輪輪轂的轉(zhuǎn)速信號(hào)，編碼器每轉(zhuǎn)輸出600個(gè)脈沖信號(hào)。編碼器通過工裝固定安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，同時(shí)保證其與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸同軸，測(cè)試安裝如圖1所示。

測(cè)試工況為發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷勻加速1000-5500rpm，數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱機(jī)，確保發(fā)動(dòng)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(yàn)。

試驗(yàn)過程中，LMS測(cè)試系統(tǒng)將編碼器采集的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)計(jì)算成角速度信號(hào)，然后再對(duì)其積分計(jì)算成角位移，最后測(cè)試系統(tǒng)通過傅里葉變換將時(shí)域角位移信號(hào)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(cè)試數(shù)據(jù)在LMS Test.Lab軟件中分析計(jì)算。由于本次試驗(yàn)對(duì)象為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在一個(gè)工作循環(huán)中曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火四次，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的主要諧階為2、4、6、8等諧階。但發(fā)動(dòng)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(diǎn)振動(dòng)，其特征為振動(dòng)角位移振幅與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成反比，一般在發(fā)動(dòng)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(dòng)幅值逐漸減小，所以在扭振分析時(shí)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(jì)，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(yàn)，一般要求在發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的扭振可接受，皮帶輪的匹配效果較好。

2.1 單諧階測(cè)試結(jié)果

從圖2-圖5可以看出在發(fā)動(dòng)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(shí)應(yīng)忽略4諧階低轉(zhuǎn)速段的測(cè)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(duì)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(duì)曲軸扭振衰減的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4883rpm，避開了發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速范圍，滿足對(duì)皮帶輪扭振單諧階的設(shè)計(jì)要求。

2.2 各諧階扭轉(zhuǎn)角之和

3? 總結(jié)

①對(duì)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(jì)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(jì)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(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(cè)試與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31（11）：73-74.

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

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