曲轴扭转减振器概述

1.1 课题背景

由于汽车工业具有很强的产业关联度，因而被视为一个国家工业和经济发展水平的重要标志，因此汽车被称为“改变世界的机器”。

随着科技的进步，社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，包括对汽车舒适性、安全性等性能提出了越来越苛刻的要求。为了提高汽车舒适性，减轻汽车的振动，首先要找到汽车的振源，汽车是多自由度的振动体，并受到各种振源的作用而发生振动，发动机就是振源之一。

当发动机工作时，曲轴在周期性变化的转矩作用下，各曲拐之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转振动，简称扭振[1]。发动机的振动关系到它的寿命、工作效率和对周围环境的影响。曲轴系统的振动是引发内燃机振动的重要因素。由于曲轴上作用有大小、方向都周期性变化的切向和法向作用力, 曲轴轴系将会同时产生弯曲振动和扭转振动。因为内燃机曲轴一般均采用全支承结构, 弯曲刚度较大, 所以其弯曲振动的自然频率较高。虽然弯曲振动不会在内燃机工作转速范围内产生共振, 但它会引起配套轴系和机体其它部件的振动, 是内燃机的主要噪声源。对扭转振动而言, 由于曲轴较长,扭转刚度较小, 而且曲轴轴系的转动惯量又较大, 故曲轴扭振的频率较低, 在内燃机工作转速范围内容易产生共振,当发动机转矩的变化频率与曲轴扭转的自振频率相同或成整数倍时，就会发生共振。共振时扭转振幅增大，并导致传动机构磨损加剧，发动机功率下降，甚至使曲轴断裂。曲轴作为内燃机中主要的运动部件之一，它的强度和可靠性在很大程度上决定着内燃机的可靠性。因此, 扭转振动是内燃机设计过程中必须考虑的重要因素[2]。

如何降低曲轴的振动是发动机曲轴设计的重要内容之一，为了消减曲轴的扭转振动，现在汽车发动机多在扭转振幅最大的曲轴前端装置扭转减振器，目前在汽车发动机曲轴系统中广泛采用的是橡胶阻尼式扭转减振器(图 1.1)，有效地改善了发动机曲轴系统的扭振特性，降低了扭振幅值。

a) b) c)

a)橡胶扭转减振器(CA8V100)；b)带轮-橡胶扭转减振器；c)复合惯性质量减振器(尼桑VH45DE)

1-减振器壳体；2-硫化橡胶层；3-扭转减振器惯性质量；4带轮毂；

5-带轮；6-紧固螺栓；7-弯曲振动惯性质量

图1.1 橡胶阻尼式扭转减振器

这种减振器在曲轴系统中的匹配设计是基于动力减振器（动力吸振器）的设计理论。扭转减振器具有如下几个功能：

(1) 消减曲轴扭转振动，提高曲轴的疲劳寿命，减少应力水平；

(2) 传递扭矩，衰减扭矩波动；

(3) 减少整车的振动、噪音。

1.2 国内外现状

在国外，从十九世纪末开始对轴系扭转振动的研究，到第一次世界大战，由于多缸发动机轴系因扭转振动产生的事故突增，促使对轴系扭转振动的研究的深入发展，出现了许多种计算轴系扭转振动固有频率的方法，同时出现了测量轴系扭转振动的仪器，1916 年德国人盖格尔（Geiger ）发表了用机械式扭振仪测量轴系扭转振动的文章，开始了扭转振动的实测试验阶段。此后扭转振动研究的发展非常迅速，关于发动机曲轴扭转减振器的设计开发进行了大规模的开展，开发水平已经日益成熟[3]。

上个世纪40年代就已由Brock 和Den Hartog 提出了针对单自由度无阻尼振系得最优减振器设计理论，其主要思想史将曲轴系等效成没有阻尼的单自由度系统，再在该系统上附加一个有刚度和阻尼的单自由度减振器，构成双扭摆如图

1.2所示，然后将主系统的扭转振动响应最小作为控制目标计算得到减振器刚度和阻尼的最优值，因其计算方法简单，随意一直沿用至今。

图1.2 单自由度系统和双扭摆

在国内，随着对内燃机污染（尾气、噪声）、油耗、可靠性、动力性、舒适性的要求越来越高，已有的传统曲轴轴系设计方法也越来越难以适应内燃机设计的需要，不能满足人们对汽车舒适性的要求，因此出现了许多对曲轴扭转减振器的更精确、更全面的研究设计方法。目前对于单级橡胶扭转减振器，已有较成熟的设计理论和计算方法，如动力吸振原理法、多质量系统模型法及有限元模型法等。这些方法在对减振器进行优化设计时大多以降低曲轴最大振幅为目标。随着发动机发展的轻量化和高功率化，受到橡胶的低阻尼限制，单级扭转减振器已满足不了扭转振动的控制要求，目前，越来越多的汽车上已开始使用多级橡胶扭转减振器，然而对于多级混联式扭转减振器却很少有人提及[4]。

a) 曲轴轴系等效单自由度系统 b) 曲轴轴系双扭摆模型

近年来随着汽车发展的小型化、轻型化及对传动空间紧凑化、传动高效率化的要求，多楔带被广泛使用，这使得发动机前端附件(包括水泵、发电机、动力转向泵及空调压缩机等)由传统的多根带传动，变成了一根带、一次驱动的所谓蛇形带传动方式。这种带传动方式不但使发动机前端附件驱动系统布置紧凑，节省空间，而且还同时具有平带传动的灵活性和V带传动的高效率特点。

1.3 课题主要内容

汽车发动机曲轴是一个非常重要的部件，它的制造工艺复杂，质量要求高。在研究曲轴轴系扭转振动同时，如何减小曲轴的振动，是发动机曲轴设计的重要内容之一。为了减轻曲轴的振动，人们在曲轴前端安装了扭转减振器，对扭转减振器的研究也一直在进行。理论和实践都证明了减振器的有效性首先要正确的、合理的选定三个主要参数：减振器的转动惯量、减振器的刚度及减振器的阻尼系数。

在已经发表的文献中，主要是针对串并联曲轴减振器的设计理论进行研究，鲜有文章对混联曲轴扭转减振器进行详细的介绍。因此我们有必要对曲轴减振器具体结构形式进行介绍，同时对多级混联扭转减振器的设计在现有的理论上进行研究。

本文研究的主要内容有：

(1) 介绍发动机曲轴扭转振动的控制方法，归纳当前国内外发动机中应用较多的曲轴扭转减振器的若干结构形式；

(2) 介绍动力吸振器的吸振原理和不同结构形式的曲轴扭转减振器的简化模型，依此提出三级混联式曲轴扭转减振器的设计方法，利用频率响应特性对多级曲轴扭转减振器的设计理论进行研究，提出选取各级扭转减振器设计参数优化方法；

(3) 介绍三级混联式曲轴扭转减振器的计算与优化程序，并分析优化结果；

(4) 介绍三级混联扭转减振器的建模过程，并对模型结构进行说明。