第四章 轴系扭振与噪声资料重点

• 对于内燃机的扭振，理论上可以考虑提高轴系扭振 固有频率，避开某些危险共振，但一般来说比较困 难，且潜力有限。实用上比较方便的办法是增大振 动系统的阻尼，抑制其振动振幅。在变工况高速内 燃机中应用最广的是阻尼减振器，如硅油减振器、 橡胶减振器和硅油橡胶复合减振器等。它们的结构 如图9－25，减振效果如图9－26。
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2、三自由度固有频率计算结果
• 通过求解可解出两个固有频率ωeI、ωeII，对应有第 一主振形和第二主振形。
• 第一主振形上有一个始终不振动的点（节点），又 称为一节点振形。
• 第二主振形上有二个始终不振动的点(节点)，又称 为二节点振形。
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＃进、排气系统的气体动力噪声
＃内燃机本身的机械噪声
• 内燃机本身产生的机械噪声是问题的焦 点。内燃机的噪声生成系统由产生激振力 的噪声源、传递激振力的机械结构和声辐 射表面等构成。
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二、噪声源分析
1、燃烧 • 减小迟燃期 • 优化喷油规律 • 采用增压技术
2、活塞拍击 • 减小活塞组质量 • 减小活塞与气缸的配合间隙 • 偏置活塞销
第四章 曲轴系统扭振与噪声
• 第一节 轴系扭转振动概述 • 第二节 轴系固有振动频率 • 第三节 临界转速 • 第四节 扭振减振器 • 第五节 内燃机的运转噪声及其降低
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第一节 轴系扭转振动概述
• 每个曲拐上都作用着大小、方向都周期性变化 的切向力（Ft）和径向力（Fn）。因此，曲轴 产生周期变化的扭转和弯曲变形。于是，曲轴 会产生振动。其中使曲轴轴系各个轴段互相扭 转的振动称为扭转振动。曲轴也存在弯曲振动。 但由于曲轴大都为全支承，跨度小，弯曲刚度 大，弯曲振动的固有频率很高，在工作转速范 围内一般不会产生共振。
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临界转速（续）
• 虽然不同扭振系统具体振形各不相同，但一 般来说可以断定：由内燃机每一转发火数的 整倍数或半整倍数阶激振转矩引起的共振是 最危险的，称为主共振或强共振。对应的临 界转速称为主（强）临界转速：
n z ,
ne,
z(2i / )
n' z,
ne,
(z 0.5)(2i / )
速有无限多个：nkm=nem/k 。式中，nkm为由k阶激振 转矩引起轴系第m主振形共振的临界转速；nem为轴 系第m主振形固有振动数。
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临界转速（续）
• 但是所有临界转速中，只有少数几个具有实 际意义。首先，只在内燃机工作转速范围内 的临界转速才是需要研究的；其次，因为激 振转矩k阶谐量幅值随阶数k的增大而减小， 所以高阶谐量引起的共振是不太危险的。对 于常用的高速内燃机来说，有实际意义的只 是第一主振形，只有少数情况下要研究第二 主振形。即：
• 目前，固有振动可精确计算，但强迫扭振还难于计 算。扭振减振的设计主要依靠试验方法。
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第二节 轴系固有扭振频率
• 1、计算模型
• 工程中常用由圆盘 和直轴组成的有限 自由度系统作为曲 轴轴系扭转振动的 计算模型。这种方 法计算方便且足够 精确，如六缸直列 机可简化为8自由度 计算模型。
•
nkI=neI/k
•
nkII=neII/k
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临界转速（续）
• 应该考虑到，说明共振危险程度，决定于作 用在各曲拐上的激振转矩对轴系所做之功。 K阶激振扭矩激发扭振所作的功为：
WT
2
0 Tk di
Tkai
2
0 sin( k ) cos( i )d
如相位差δk-εi=900,则达最大值；如δk-εi=0， 则功为零。
曲轴转角的周期函数，且可以展开为由频率递增而
幅值一般递减的一系列简谐量构成的无穷收敛级数
（傅立叶级数）：
T Tm Tk Tm Tka sin(kt k )
k 0.5
k 0.5
式中，Tm为单拐平均转矩；Tk为k阶激发转矩；Tka为k 阶转矩幅值；δk为k阶转矩初相角；
k=0.5,1,1.5,2,2.5…为简谐转矩阶数。理论上临界转
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三自由度固有频率计算结果
• 三自由度轴系为上述两个主振形的合成。振 动周期分别为： TI=2π/ωeI TII=2π/ωeII
• 每分钟固有振动数（min-1）分别为： neI=60/ TI≈9.55ωeI neII=9.55ωeII
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第三节 临界转速
• 对于四冲程机，作用在每一曲拐上的单拐转矩T是
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扭振减振器（续）
1、硅油减振器：构造简单，但尺寸质量较大。 2、橡胶减振器：比较轻巧，但橡胶力学性能不
易控制。
3、硅油橡胶复合减振器：综合前二者的优点。
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第五节 内燃机的运转噪声及其降低
• 一、概述 内燃机运转噪声可分为三部分：
＃内燃机整体在支承上的振动引起的噪声
• 扭转振动则不同，曲轴很长，展开长度更长， 扭转刚度较小，转动惯量又较大，所以扭振频 率较低，在工作转速范围内易发生强烈共振。
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概述
• 外转矩停止作用后系统的扭转振动，称为固有扭振 或自由扭振。固有扭振频率称为固有频率。各元件 振幅的相对比值称为振形，它们取决于扭振系统各 元件的质量和弹性及其在系统中的分布。强迫扭振 频率与固有频率相同时，扭振振幅剧增，这种状态 称为共振。发生共振的曲轴转速称为临界转速。由 于曲轴有多个扭振自由度，因而有相应多个固有频 率。另外，轴系的激振转矩可分解出无限多个激振 频率，所以临界转速有很多个。但只有引起强烈共 振的主临界转速值得考虑。
z=1,2,3,…
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扭振瀑布图
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曲轴扭振谐次分析瀑布图
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曲轴扭振幅频曲线
Байду номын сангаас
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第四节 扭振减振器
• 在内燃机工作转速范围内，如果出现主或强临界转 速，则一般要用扭振仪测量曲轴共振振幅。如果共 振振幅过大（或扭振附加应力过大，或附加噪声过 大），则要采取措施消减扭振。