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V6柴油机曲轴扭振试验研究 |
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作者：马维忍 姜建中 张文炬 |
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摘要：利用LMS 测试系统进行了V6 柴油机轴系扭转振动的测试和分析研究，从试验分析角度阐述了V6 发动机轴系扭转振动特性。试验研究结果表明，V6 发动机曲轴扭振1.5 谐次、3 谐次、4.5 谐次、7.5 谐次等强谐次特征较明显，其1 谐次和2 谐次扭振也较大，但在整个转速范围内，曲轴扭转振动没有明显的共振特征。
关键词： 柴油机 曲轴 扭转振动 试验
高转速、大爆发压力发动机的普遍使用，使曲轴的扭转力矩、往复惯性力、离心惯性力急剧上升；另一方面为了满足车辆乘座舒适性的追求，车用附件大量增多，而这些都直接从曲轴上获取动力。因而曲轴的外加激励力矩增多，工作应力上升。因此，为了提高曲轴工作的可靠性，对柴油机轴系的振动开展分析研究和控制是非常必要的。
内燃机轴系的扭转振动是影响该动力装置安全运行的重要因素之一。内燃机动力装置中实际存在的扭振问题在上世纪初才开始注意到的，在一九零零年前后，各种断轴事故的分析报告及有关文章逐渐出现，扭振现象开始引起了广泛的关注。一九一六年德国学者盖格尔（Geiger）发表了用机械式盖格尔扭振仪测量轴系扭转振动的文章，使扭转振动的研究开始进入实测和实验阶段，并逐步形成计算分析和处理扭振实际问题的一套经验上的和初步理论上的方法。从六十年代到八十年代，是扭振研究全面蓬勃发展时期。近年来，随着计算机技术和测试技术的飞速发展，大型有限元软件及相关精密仪器的普及。许多学者运用有限元法、试验方法和动态刚度矩阵方法研究了曲轴的振动特性以及曲轴振动与机体振动之间的关系。本文通过试验研究对V6 柴油机扭转振动进行了研究。
1 曲轴扭转振动试验系统
内燃机曲轴受到众多激励作用，振动表现形态上从而就呈现多样性。曲轴扭振试验系统如图1所示。扭振信号通过非接触电磁传感器触发采集，数据采集采用LMS测试系统。本次试验对象是V6柴油机。
图1 曲轴扭转振动测试系统
2 轴系扭转振动试验分析
通过 LMS 测试系统虚拟通道进行扭转振动信号的采集和分析，直接进行数据处理分析，可得到各个转速工况下和不同谐次下的扭振特性。
2.1 轴系扭转振动试验结果
V6 柴油机轴系在工作转速800rpm—2100rpm 下扭振特性见图2，反映了其在不同谐次下的扭振特性。
图 2 V6 柴油机曲轴扭振谐次分析瀑布图
从图2 可以看出，在整个转速范围内，1.5 谐次下的扭振幅值远远大于其他谐次下的扭振幅值，3 谐次、4.5 谐次和7.5 谐次的扭振幅值也较大。
图 3 V6 柴油机曲轴扭振的幅频曲线
V6 发动机在500Hz 下的扭振特性见图3。可以看出在500Hz 下，看不出其显著的共振特征。下面详细分析其扭振特性。从图4 可以同样看出，在整个转速范围内，1.5 谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振幅值，3 谐次、4.5 谐次、1 谐次和2 谐次的扭振角度也较大。
图 4 V6 柴油机曲轴扭振特性曲线
从图 4 中可以看出：在V6 发动机工作转速范围内，1.5 谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振角度，其最大值为1862rpm 下达到0.059°。
从图4 中还可以看出：除1.5 谐次外，3 谐次、4.5 谐次、1 谐次和2 谐次的扭振角度也较大。其中3谐次在2053rpm 下扭振角度较大，为0.009°，4.5 谐次在2053rpm 下扭振角度也较大，为0.0051°。1谐次在1143rpm、2 谐次在2071rpm 下扭振角度也较大。
分析V6 发动机的扭振特性，由于其主谐次为12、24 等谐次，因此在其整个转速范围内，没有明显的共振特性。但是1 谐次和2 谐次角度较大，是由于其一阶和二阶往复惯性力矩未平衡所致。1.5 谐次、3谐次、4.5 谐次和7.5 谐次是其强谐次，故其扭振幅值或角度较大。
2.2 轴系在不同工况下扭振试验结果
下面对V6 发动机在不同负荷下的扭振特性进行对比分析。图5 为V6 发动机分别在全负荷、60%负荷和30%负荷下的扭振瀑布图。可以看到其扭振特性相同。
图 5 V6 曲轴扭振在不同负荷下的瀑布图
下面对 V6 曲轴在不同负荷下不同谐次下的扭振做详细的对比分析。各主要谐次对比见图6 到图13（全负荷为红色,60%负荷为绿色,30%负荷为蓝色）。
图6 V6 曲轴扭振1.5 谐次在不同负荷下的对比图
从图 6 到图13 V6 轴系各主要谐次扭振的对比图可以看出：除6 和12 谐次外，其它谐次扭振幅值基本上随着负荷的增大而增大。通过7.5 谐次、9 谐次等扭振曲线推断V6 曲轴一阶固有频率大约为250Hz 附近。
3 结论
1、V6 发动机在整个转速范围内，曲轴扭振没有明显的共振特征。
2、V6 发动机曲轴扭振1.5 谐次、3 谐次、4.5 谐次、7.5 谐次等强谐次特征较明显，但其1 谐次和2谐次扭振也较大。
3、V6 曲轴一阶固有频率大约为250Hz。
参考文献
[1] 李渤仲，陈之炎，应启光，内燃机轴系扭转振动，北京：国防工业出版社，1984，1～5
[2] 王祺，内燃机轴系扭转振动，北京：国防工业出版社，1985，75～87
[3] 舒歌群，吕兴才，高速柴油机曲轴扭/弯/纵三维振动的试验研究，农业机械学报，2004，35(6)：22～25(end)
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(5/15/2011) |
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