周震宇, 韋源源, 尹 航, 龔俊杰*, 陸永樂, 王 衛(wèi)

(1. 揚州大學機械工程學院, 江蘇 揚州 225127; 2. 揚州保來得科技實業(yè)有限公司, 江蘇 揚州 225127)

發(fā)動機振動是汽車振動和噪聲的主要來源之一, 影響汽車運行時的平穩(wěn)性和舒適性[1]．針對發(fā)動機的振動特性及減振措施, 國內(nèi)外學者進行了深入的研究．Cellek等[2]分析1.4 L四缸奧拓發(fā)動機在不同節(jié)氣門開度和不同轉(zhuǎn)速下垂直軸的振動特性, 發(fā)現(xiàn)不同節(jié)氣門速率下發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加均會引起垂直軸振幅的增加; 胡鴻飛[3]通過在發(fā)動機前端安裝橡膠扭振減振器以降低發(fā)動機的扭轉(zhuǎn)振動, 得出雙級并聯(lián)扭振減振器對軸系的減振效果較單級扭振減振器更加明顯; Huang[4]對渦噴發(fā)動機進行振動測試,將采集到的發(fā)動機壓氣機殼體和渦輪殼體振動信號進行功率譜分析,發(fā)現(xiàn)渦噴發(fā)動機主轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡會引起振動; Jin等[5]運用智能傳感器檢測農(nóng)業(yè)機械中的發(fā)動機振動,指出雙層隔振系統(tǒng)能夠有效減少發(fā)動機振動．四缸發(fā)動機平衡系統(tǒng)多選用齒輪傳動來傳遞運動和動力,但在齒輪嚙合過程中, 內(nèi)部激勵會產(chǎn)生振動和噪聲[6-7]．為了盡量減少振動,使發(fā)動機滿足高速、低噪聲、低振動的要求,本文擬將彈性齒輪運用到汽車四缸發(fā)動機平衡系統(tǒng)中,采用彈性齒輪替代金屬齒輪作為從動齒輪,分析彈性齒輪平衡系統(tǒng)的固有頻率,評價平衡系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中的減振效果,以期為汽車四缸發(fā)動機平衡系統(tǒng)減振技術(shù)的發(fā)展提供科學依據(jù)．

1 發(fā)動機彈性齒輪平衡系統(tǒng)模型構(gòu)建

為滿足汽車發(fā)動機平衡系統(tǒng)高速轉(zhuǎn)動要求, 須通過柔性環(huán)節(jié)吸收齒輪的高頻振動．彈性齒輪采用橡膠圈作為阻尼環(huán)[8], 輪轂與外齒圈分開,橡膠圈粘接在輪轂和外齒圈之間, 具體結(jié)構(gòu)如圖1所示．彈性齒輪平衡系統(tǒng)主要由1個驅(qū)動齒輪、2個從動齒輪和2個平衡軸組成, 其中驅(qū)動齒輪、平衡軸、從動齒輪的外齒圈和輪轂材料選用20CrMnTi, 密度為7 850 kg·m-3, 彈性模量為2.06×105MPa, 泊松比為0.30; 中間減振材料采用氟橡膠, 密度為1 800 kg·m-3, 彈性模量為4.44 MPa, 泊松比為0.48．2個從動齒輪設計為彈性齒輪, 與驅(qū)動齒輪接觸的彈性齒輪為從動齒輪1, 另一個為從動齒輪2．驅(qū)動齒輪和從動齒輪設計參數(shù)如表1所示．

表1 齒輪基本參數(shù)

圖1 彈性齒輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of elastic gear structure

圖2為發(fā)動機彈性齒輪平衡系統(tǒng)有限元模型．平衡系統(tǒng)模型劃分為257 990個實體單元, 共442 959個節(jié)點．齒輪間的運動副接觸區(qū)域建立Frictional接觸, 摩擦系數(shù)設置為0.05, 2個彈性齒輪的外齒圈和輪轂與橡膠減振元件采用綁定接觸．

圖2 彈性齒輪平衡系統(tǒng)有限元模型Fig.2 Finite element model of elastic gear balancing system

2 平衡系統(tǒng)模態(tài)分析

在結(jié)構(gòu)振動中, 低階模態(tài)對結(jié)構(gòu)的影響較大, 因此主要考慮低階模態(tài)的固有頻率與齒輪副工作頻率是否會產(chǎn)生共振[9]．本文對彈性齒輪平衡系統(tǒng)和金屬齒輪平衡系統(tǒng)的前六階模態(tài)進行對比分析, 圖3為彈性齒輪平衡系統(tǒng)的不同模態(tài)振型．由圖3可知, 平衡系統(tǒng)振型從一階模態(tài)到四階模態(tài)變形量逐漸增大, 隨后又逐漸降低, 其中四階模態(tài)平衡系統(tǒng)變形量最大, 為3.738 mm．

圖3 彈性齒輪平衡系統(tǒng)的不同模態(tài)振型Fig.3 Different modes of vibration of elastic gear balancing system

表2為彈性齒輪平衡系統(tǒng)和金屬齒輪平衡系統(tǒng)的不同模態(tài)固有頻率和振型．由表2可知,除一階固有頻率相近外, 金屬齒輪平衡系統(tǒng)的固有頻率均遠大于彈性齒輪平衡系統(tǒng)．齒輪嚙合頻率f=nz/60, 其中n為齒輪轉(zhuǎn)速, r·min-1;z為齒輪齒數(shù)．汽車正常行駛過程中, 發(fā)動機轉(zhuǎn)速約為1 000～3 500 r·min-1, 齒輪嚙合頻率約為1 900～6 650 Hz．通過對比發(fā)現(xiàn),彈性齒輪平衡系統(tǒng)前六階固有頻率遠小于齒輪嚙合頻率, 因此, 采用彈性齒輪能夠使平衡系統(tǒng)較好地避免運轉(zhuǎn)時齒輪嚙合引起的共振．

表2 兩種平衡系統(tǒng)不同模態(tài)固有頻率和振型

3 平衡系統(tǒng)瞬態(tài)分析

為了進一步驗證彈性齒輪在發(fā)動機平衡系統(tǒng)的減振性能, 對平衡系統(tǒng)進行瞬態(tài)動力學分析．橡膠是一種超彈性材料[10], 受力過程中具有材料非線性和幾何非線性,以及各向同性、不可壓縮的超彈性特征,因此在平衡系統(tǒng)動態(tài)分析中, 橡膠減振材料采用Mooney-Rivlin[11]五參數(shù)模型的自建Rubber材料．氟橡膠Mooney-Rivlin模型的材料系數(shù)[12]為C10=-2.11 MPa,C01=3.19 MPa,C20=0.43 MPa,C11=-0.28 MPa,C02=1.43 MPa,D1=0．

3.1 勻加速運動工況

汽車四缸發(fā)動機轉(zhuǎn)速可在5 s左右從0 r·min-1加速到3 000 r·min-1．根據(jù)發(fā)動機運轉(zhuǎn)情況, 從0 s到0.4 s驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速由0 r·min-1到240 r·min-1, 分析發(fā)動機平衡系統(tǒng)勻加速工況, 對比彈性齒輪平衡系統(tǒng)和金屬齒輪平衡系統(tǒng)的計算結(jié)果．圖4為彈性齒輪平衡系統(tǒng)和金屬齒輪平衡系統(tǒng)的最大應力和最大應變對比結(jié)果．由圖4可知, 兩種平衡系統(tǒng)最大應力隨轉(zhuǎn)速增加趨勢相同,彈性齒輪平衡系統(tǒng)的變形遠大于金屬齒輪平衡系統(tǒng)．

圖4 平衡系統(tǒng)最大應力和最大應變對比圖Fig.4 Comparison diagram of maximum stress and maximum strain of balance system

平衡系統(tǒng)通過齒輪嚙合最終將運動和動力傳遞給平衡軸, 平衡軸的振動情況能夠反映系統(tǒng)的振動效果．提取平衡軸軸心A點加速度變化值, 結(jié)果如圖5所示．由圖5可知, 在轉(zhuǎn)速為0～240 r·min-1的低速運行過程中,彈性齒輪平衡系統(tǒng)A點的加速度遠大于金屬齒輪平衡系統(tǒng), 此時彈性齒輪平衡系統(tǒng)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動遠大于金屬齒輪平衡系統(tǒng)．

圖5 A點處加速度對比圖Fig.5 Acceleration contrast map at point A

3.2 勻速運動工況

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1左右時, 輸出扭矩最大, 之后扭矩和轉(zhuǎn)速呈反比, 所以車輛在正常行駛時發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3 000 r·min-1左右較為合適．為了便于求解平衡系統(tǒng)勻速運動工況, 將動力學分析分為兩個階段．首先是勻加速階段, 時長為0.02 s, 使驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速由0 r·min-1加速到3 000 r·min-1; 其次是勻速階段, 從0.02 s到0.04 s, 驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速保持在3 000 r·min-1．

圖6為0.02 s到0.04 s勻速運動狀態(tài)下彈性齒輪平衡系統(tǒng)的應力和應變云圖．由圖6可知, 彈性齒輪平衡系統(tǒng)最大應力出現(xiàn)在2個彈性齒輪接觸面及其附近區(qū)域, 最大應力為740.7 MPa, 小于20CrMnTi屈服極限850 MP; 彈性齒輪平衡系統(tǒng)的最大應變出現(xiàn)在彈性齒輪橡膠圈處, 最大應變?yōu)?.286 3, 而輪轂和外齒圈部分應變小于0.031 8, 可忽略．圖7為橡膠圈應力和應變云圖．由圖7可知, 橡膠圈作為減振元件, 最大應變出現(xiàn)在主從動齒輪1橡膠圈的外圈上,最大應變?yōu)?.286 3, 最大應力為2.719 MPa, 小于橡膠的許用應力18 MPa．

圖6 平衡系統(tǒng)應力和應變圖Fig.6 Stress and strain diagram of balance system

圖7 橡膠圈應力和應變圖Fig.7 Stress and strain diagram of rubber ring

對相同工況下金屬齒輪平衡系統(tǒng)進行動態(tài)分析, 提取0.02 s到0.04 s齒輪勻速嚙合狀態(tài)下平衡軸軸心A點的加速度,結(jié)果如圖8所示．由于彈性齒輪具有吸收高頻振動的效果,在驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1的工況下, 彈性齒輪平衡系統(tǒng)中平衡軸A點的振動加速度遠小于金屬齒輪平衡系統(tǒng)中平衡軸的振動加速度, 彈性齒輪在高速轉(zhuǎn)動時具有良好的減振效果．

圖8 A點處加速度對比圖Fig.8 Acceleration contrast map at point A

4 結(jié)論

本文將彈性齒輪運用到四缸發(fā)動機平衡系統(tǒng)中,建立了彈性齒輪四缸發(fā)動機平衡系統(tǒng)模型, 分析了平衡系統(tǒng)的動態(tài)特性．結(jié)果表明, 系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn)時彈性齒輪能夠有效降低傳動過程中的振動, 為彈性齒輪在四缸發(fā)動機平衡系統(tǒng)中的應用提供了理論依據(jù)．