减振皮带轮设计软件开发毕业论文

2020-02-19 09:02

摘要

内燃机曲轴的扭转振动会使其曲轴承受交变应力，随着时间的推移，会致使轴系疲劳损坏，进而发生严重的事故，因此降低曲轴轴系扭转振动变得至关重要。

本文借助MATLAB软件采用矩阵直接求解的解析计算法计算了内燃机激振力源产生的激振扭矩，建立四冲程四缸内燃机曲轴轴系13个集中质量系统的扭转振动模型，建立曲轴轴系的转动惯量、扭转刚度、内阻尼和外阻尼矩阵。计算了曲轴轴系无阻尼自由振动情况下的固有频率和振型，强迫振动下的13个集中质量的角位移和初相位。在此基础上，修改了加装减振皮带轮，即橡胶阻尼式扭转减振器后，扭转振动模型和相关等效矩阵。计算了加装减振皮带轮后，主谐次激励下不同参数减振器在不同转速时的减振器轮毂的角位移。并对加装减振皮带轮前后两种情况进行了比较，对所编写程序的部分功能实现了界面化。结果表明在自由端布置合适的减振皮带轮能有效降低轴系扭转振动，为内燃机曲轴轴系减振皮带轮的匹配的工程化应用奠定了一定的基础。

研究结果表明：不同减振皮带轮对曲轴轴系扭转振动的减振效果有所差别，故而设计出最优参数的减振皮带轮对于曲轴轴系扭转振动的减振非常之重要。

关键词：激振力源；扭转振动；自由振动；强迫振动；扭转减振器

Abstract

Torsional vibration of crankshaft of internal combustion engines will make the crankshaft bear alternating stress. As time goes on, it would lead to fatigue damage of parts of the crankshaft and thus eventually lead to serious accidents. Therefore, it is critical to reduce torsional vibration of the crankshaft.

Using the MATHWORK’s MATLAB software, the excitation torque was calculated in this paper with the analytical method direct matrix solution, which was generated by the internal combustion engine excitation force source. A torsional vibration model of 13 concentrated mass systems of the crankshaft system of the four-stroke and four-cylinder internal combustion engine was established, which included building the rotary inertia, torsional stiffness, internal damping and external damping matrices. The natural frequency and mode of undamped free vibration, and the angular displacement and initial phase of 13 lumped masses under forced vibration were calculated. After adding the rubber damped torsional damper, the torsional vibration model and the relevant equivalent matrix are established. The angular displacement of the shock absorber hub was calculated. The results are of great significance to the matching of crankshaft with the pulley.

The results show that the vibration damping effect of different belt pulley on the torsional vibration of crankshaft is different, and it is very important to design the best parameters of the belt pulley for the vibration damping of crankshaft torsional vibration.

Keywords: Torsional vibration; Free vibration; Forced vibration; Torsional shock absorber

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 论文研究背景与问题提出 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.2.1 关于内燃机曲轴扭转振动计算方法的研究综述 1

1.2.2 关于扭转减振器匹配方法的研究综述 2

1.3 研究目的及意义 2

1.4 研究内容及技术方案 3

1.4.1 研究内容 3

1.4.2 技术方案 3

第2章内燃机曲轴轴系的激振力源 5

2.1 引言 5

2.2 中心曲柄连杆机构的运动规律 5

2.3 曲柄连杆机构中的作用力 6

2.4 单缸内燃机曲轴轴系的激振力 7

2.4.1 激振力源气体压力的作用效果 7

2.4.2 激振力源往复惯性力的作用效果 10

2.4.3 激振力源的切向力与法向力 12

2.4.4 激励扭矩及激振扭矩 12

2.5 四拐曲轴上第阶激振扭矩谐量的相位关系 15

2.6 其他振动激励源 16

第3章内燃机轴系当量系统 18

3.1 引言 18

3.2 四冲程四缸内燃机曲轴轴系扭转振动模型 18

3.3 转动惯量、扭转刚度和阻尼的确定 19

3.3.1 转动惯量 19

3.3.2 扭转刚度 21

3.3.3 阻尼 22

第4章内燃机曲轴轴系扭转振动系统振动计算 23

4.1 引言 23

4.2 扭振系统自由振动计算 23

4.3 扭振系统强迫振动计算 26

第5章减振皮带轮——橡胶阻尼式扭转减振器匹配计算 32

5.1 引言 32

5.2 橡胶阻尼式扭转减振器的等效原则 32

5.3 加装减振器后的曲轴轴系扭振模型及扭转振动计算 33

第6章部分功能的界面化设计 40

6.1 气缸压力随曲柄转角变化的GUI设计 40

6.2无阻尼自由振动的固有频率及振型的GUI设计 42

全文总结与展望 44

全文总结 44

研究工作展望 44

参考文献 46

致谢 48

第1章绪论

1.1 论文研究背景与问题提出

内燃机作为一种往复式机械，在其运转时会存在振动。内燃机的振动主要有整机振动、结构振动和轴系振动。轴系，即内燃机曲轴及其与之连接的运动部件的统称。内燃机的曲轴轴系振动可以分为三类，分别为横向振动、扭转振动和纵向振动。其激振力主要源自气体压力和往复惯性力作用在曲轴上产生的随内燃机运转的交变法向力和切向力。上述三种轴系振动中，扭转振动造成的危害最大。

随着内燃机向高速、大功率方向发展，其曲轴轴系扭转振动引起的故障越来越多。严重的轴系扭转振动会致使轴系零部件疲劳损坏，进而发生严重的事故。扭转振动损伤的特征是其断裂面与轴心线之间呈45°角，一般会在扭转振动应力最大的节点出现断裂。例如，在内燃机飞轮前的曲拐处，断裂表面外部会出现摩擦的灰色部分，内部显露颗粒较大的金属晶体光泽，故此可以很容易识别扭转振动损伤的性质。

目前，内燃机曲轴轴系扭转振动问题已引起了相关从业人员的重视。针对内燃机轴系的扭转振动进行理论计算和试验分析，研究人员做了大量的工作。随着计算机辅助设计等技术的快速发展，研究人员将其应用在轴系扭转振动的相关计算中，使扭转振动理论更加完善。通常在进行扭转振动的相关计算时，大概有以下几个步骤：

1) 建立实际轴系的扭转振动简化模型，即内燃机曲轴轴系集中质量当量系统。

2) 轴系自由振动计算。采用矩阵直接求解的解析计算或Holzer计算方法来确定系统的固有频率和振型。

3) 轴系强迫振动计算。采用矩阵直接求解的解析计算法或能量法确定曲轴轴系的角位移和初相位。

4) 采用不同参数的橡胶阻尼式扭转减振器进行匹配计算，并比较不同参数减振器下内燃机曲轴自由端减振器轮毂的角位移。

本文参照以上步骤对4120SG型柴油机进行了相关的分析，并使用不同参数的减振皮带轮对其进行匹配，对比分析其匹配效果。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1 关于内燃机曲轴扭转振动计算方法的研究综述

内燃机曲轴扭转振动计算可采用集总参数模型，即集中质量当量系统扭转振动模型和分布参数两种模型；其中分布参数模型又可以分为直接用于有限元计算的实体模型、框架模型和阶梯轴模型三种。Holzer，oughty^[9]等分别建立了曲轴系统的集总参数模型,将各惯性质量的转动惯量视为常量,采用Holzer法和传递矩阵法分析曲轴的扭转振动。集总参数模型的优势在于物理概念明了,使用简单,计算方便。Bagci，Chang-SeokHan^[10]等采用有限元方法计算曲轴的扭转振动，与传递矩阵法相较而言，该方法不但耗时长而且占用计算机内存大^[11]。Okamura^[12]改进了有限元模型,提出框架模型来计算曲轴的扭振。

在国内，华南理工大学上官文斌^[13]教授提出了内燃机曲轴轴系扭转振动分析的集中质量当量系统扭转振动模型的建模方法，讨论了集中质量当量系统扭转振动模型中各集中质量的转动惯量、扭转刚度和阻尼系数等参数的确定方法。利用集中质量当量系统扭转振动模型计算分析曲轴系统的固有频率和在气缸压力作用下曲轴自由端减振器轮毂的扭振振幅。

1.2.2 关于扭转减振器匹配方法的研究综述

在扭转减振器匹配方法的研究方面，比较有代表性的有：

早在上世纪40年代，Brock和Hartog^[17]就提出了扭转减振器的优化设计方法：该方法将未安装扭转减振器的曲轴轴系等效为无阻尼的单自由度模型；将加装扭转减振器后的曲轴轴系等效为双自由度模型；以双自由度模型中曲轴等效系统的扭振幅值最小为目标，优化计算得到扭转减振器的最优扭转刚度和阻尼数值。2008年，LondheA.等人^[18]介绍了四冲程四缸内燃机曲轴橡胶扭转减振器的设计和优化方法。2013年，NagarA.^[19]等人以降低曲轴扭振幅值和提高扭转减振器耐久性为目标对多缸内燃机橡胶扭转减振器进行了优化。

在国内，张俊红^[20]基于神经网络算法对柴油机的复合式扭转减振器进行了相关优化设计。2012年，陈超^[21]建立了四冲程四缸内燃机曲轴轴系的集中质量当量系统扭转振动模型，并利用MATLAB软件计算了轴系扭振特性，分析了橡胶扭转减振器的转动惯量、橡胶圈扭转刚度对曲轴轴系扭振特性的影响；2015年，周瑞平、汪萌生等人^[22]基于遗传算法对柴油机硅油扭转减振器进行匹配优化。2016年，郭一鸣^[23]基于橡胶扭转减振器动力学模型建立内燃机曲轴轴系集中质量当量系统扭转振动模型，开展橡胶扭转减振器多目标性能匹配以及稳健性优化设计。

1.3 研究目的及意义

在NVH的研究中，即噪声(Noise)、振动(Vibration)和声振粗糙度(Harshness)，内然燃机振动是车辆NVH的重要组成，内燃机振动会影响车辆的舒适度和内燃机的工作寿命。曲轴轴系的扭转振动是内燃机振动的重要组成，在高速、高压内燃机上影响更为突出。内燃机曲轴的扭转振动会使曲轴承受交变应力，随着时间的迁移，致使曲轴、凸轮轴和中间轴断裂，弹性联轴器剪切断裂，连接螺钉松动，传动齿轮断裂，齿面点蚀，相应运动部件的噪声突然增大和磨损，进而出现严重的事故，因此降低曲轴轴系扭转振动变得非常重要。

在振动控制方面，主要有振动抑制和振动利用。其中振动抑制有三种途径：减小振动激励，从根本上抑制振动；减小振动响应，采用动力吸振器吸收振动能量或采用阻尼器消耗振动能量；安装隔振器，在振动能量的传递上进行抑制。上述三种方法统称为振动被动控制。为了降低曲轴轴系扭转振动，可采取减少输入曲轴轴系的振动能量、调整其频率和在曲轴自由端加装减振器等三种方法。在内燃机曲轴自由端加装减振器是减小曲轴扭转振动的最有效的手段。阻尼弹性减振器根据阻尼元件和弹性元件不同，分为橡胶减振器、硅油橡胶减振器和硅油弹簧减振器三种。减振器中的阻尼元件吸收振动能量、弹簧元件和惯量调整振动系统的自振频率，从而降低曲轴轴系的扭转振动。

假设带有减振器的曲轴轴系是一个无阻尼扭转振动模型，则根据动力吸振器原理，当减振器的固有频率等于要衰减的曲轴轴系的某阶固有频率时，减振器的减振效果将会最好^[2]。然而，事实上，橡胶阻尼式扭转减振器具有扭转刚度和阻尼，在扭转减振器惯量环的转动惯量参数一定的情况下，减振器的固有频率与橡胶圈扭转刚度、阻尼等有关，而橡胶圈扭转刚度、阻尼又跟橡胶圈的压缩比、激振频率、激振振幅等参数紧密相关。由上述可知，橡胶阻尼式扭转减振器的固有频率受限制于多种因素，且扭转减振器的设计必须满足其余的设计要求，故事实上橡胶阻尼式扭转减振器的设计开发是一个时时需要试验和修正的相对复杂过程^[2]。

1.4 研究内容及技术方案

1.4.1 研究内容

本文主要通过查阅相关资料，掌握轴系简化模型的建立、轴系扭振计算方法、皮带轮的选型方法、皮带轮与轴系的匹配计算方法、MATLAB的应用等。

针对皮带轮选型过程受多种因素影响和限制，通过掌握轴系简化模型的种类及选用方法、轴系扭振的计算方法、皮带轮与轴系的匹配方法，使用MATLAB编程匹配最合适的皮带轮。

1.4.2 技术方案

（1）搜集国内外研究减振皮带轮、轴系模型建立方法、皮带轮弹性滑动力的计算方法和皮带轮与轴系的匹配的中英文文献，阅读并整理文献，为后续工作做铺垫；

（2）根据文献，总结归纳国内外减振皮带轮、轴系模型建立方法、皮带轮与轴系的匹配的发展现状及应用，详细分析其结构及工作原理；

（3）学习MATLAB软件，为后续实现轴系与皮带轮的匹配编程做准备；

（4）学习轴系模型建立方法，完成轴系模型建立，通过简单的实例验证模型的正确性；

（5）以某型内燃机为对象，根据轴系简化模型，轴系扭振的计算、皮带轮与轴系的匹配等因素，使用MATLAB编程，为皮带轮的选型提供技术支撑。并使用GUI编程方法，实现了所编写程序的界面化设计。

第2章内燃机曲轴轴系的激振力源

2.1 引言

内燃机曲轴轴系的激振力源主要来自三个方面：气体压力、往复惯性力和运动部件的重力。其中气体压力是由燃料在气缸内燃烧并做用在活塞上表面产生的，往复惯性力是由活塞加速度的两个谐量所引起的。而运动部件的重力在大多数内燃机机型的扭振计算中不考虑在内。本章旨在通过中心曲柄机构的运动规律和曲柄连杆机构中的作用力分析气体压力和往复惯性力，激励扭矩等计算方法。然后将激励扭矩通过傅里叶变换获得激振扭矩。并对单缸和多拐曲轴上各阶谐次的激振扭矩、初相位进行分析。同时简单介绍了引起振动的其他激振力源。