曲轴系开发过程的两起扭振优化案例_长安_康黎云

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曲轴系开发过程的两起扭振优化案例
康黎云司庆九张小涛姜波薛军平
(长安汽车研究总院动力研究院技术研究所,重庆渝北区双凤桥空港大道589号,401120)摘要:本文讨论了曲轴系开发过程中两起扭振及优化案例,通过与试验结果的对比来标定分析模型,并在标定的模型基础上对曲轴进行结构优化,优化方案的有效性说明采用EXCITE Designer在解决曲轴系设计和优化方面具有显著效果。

关键词:EXCITE曲轴系扭振
主要软件:A VL EXCITE Designer
曲轴在周期性气体力、惯性力和力矩的作用下,承受弯、扭交变载荷。

曲轴设计在满足总体设计的前提下,还需满足以下几方面要求:
(1)质量尽量轻,并满足弯扭综合疲劳强度;
(2)轴系扭振要满足要求;
(3)轴承润滑充分。

其中扭转刚度不足,会降低轴系扭振的固有频率,使工作转速范围内出现更强的低次扭振,增大曲轴的扭振附加应力,加大传动机构的噪音和冲击载荷下的磨损。

1案例一:前端惯量过大造成扭振大
图1是某对标发动机的曲轴系模型,发动机主要参数:缸径73mm,冲程74.25mm,缸心距81mm,连杆长137.6mm,主轴颈直径45mm,曲柄销直径38mm。

曲轴为四平衡块设计形式,信号盘与1号扇形板(web1)用螺钉联接。

前端为非减振的普通皮带轮,后端为单质量飞轮。

曲轴材料为非调质钢49MnVS3。

图1 曲轴系结构示意图
1.1Designer建模及扭振分析
Designer建模时,先在PU模块下借用Auto shaft功能对曲轴进行自动识别,Web和Counter Weight的质量、惯量及质心位置等由程序自动完成。

然后切换到Designer模块,手工完成其他参数,如凸台厚度、截面特性、圆角半径等。

扭振分析最重要的参数,包括Crank Train Globals中的尺寸、质量参数,shaft modeler 中的各单元尺寸、质量、惯量以及发动机的缸压,一般均采用外特性下的缸压数据,本发动机的测试缸压如图2所示。

图2 发动机缸压测试数据
扭振结果中常关注的有:
(1)临界转速。

该结果有助于让设计者了解当前曲轴系的总体概况。

一般PP2中会有两阶扭转模态频率,如果发动机不带减振装置(TVD),那么1阶扭转模态频率应该在440Hz 以上;
(2)前端角位移。

皮带轮或TVD的Hub在各个转速下的角位移值是评价曲轴扭振的指标。

对于直列四缸发动机而言,这条曲线的最大值应低于0.4~0.5deg。

如果轴系的1阶扭转模态低于400Hz,则会激发较大的角位移;
(3)转速不均匀性。

前、后端的转速不均匀性都非常重要,前端带轮的转速不均匀性影响正时、附件传动系统的设计,后端飞轮的转速不均匀性又影响着变速器的设计,因此需要关注。

通常的做法是进行发动机对标,飞轮端需要控制的是低速下的不均匀度,如1250rpm 或1500rpm时的不均匀度低于设计值;
(4)最大总扭矩。

曲轴上有两颗重要螺栓,即前端中心螺栓和飞轮螺栓。

螺栓拧紧提供足够的轴力使得皮带轮和飞轮能够稳定工作,皮带轮和飞轮需要传递的扭矩即Designer 计算得到的最大总扭矩,而它们能传递的扭矩必须大于该值,否则会引起螺栓打滑、剪断等重大风险。

(5)耗散功。

对于TVD而言,该值不应太大,过大的耗散功意味着橡胶产生过多的热量,加速橡胶老化,一般上限为200W。

(6)前、后端的扭角差。

常与前端角位移结果配对使用,它表示的是曲轴自身的受扭情况,两者的物理意义稍有区别。

1.2分析结果及优化方案对比
本例中的主要扭振结果如图3、图4所示。

其中的临界转速结果显示曲轴系的1阶扭转模态频率为389.5Hz,那么意味着四阶激励将在6000rpm以内与发动机共振,在前端角位移结果中可以看到,5850rpm时皮带轮角位移波动最大值达到0.65deg,超出允许值30%,并与试验结果曲线也吻合得相当好,说明仿真结果可信。

图4为前端皮带轮最大总扭矩波动曲线,试验时无法直接测量扭矩结果,但从记录的皮
带轮角加速度结果可以处理出扭矩值,蓝色点为根据皮带轮角加速度结果转换得到的皮带轮扭矩,与仿真结果也相当吻合。

图3 曲轴扭振仿真与试验结果
图4 曲轴前端扭矩仿真与试验对比
以上结果说明本台对标发动机的曲轴系扭振不能满足设计目标,需要对其进行优化,根据改动量、成本等因素有以下三种优化方案:
(1)采用TVD,频率为315±15Hz。

根据原非减振皮带轮结构尺寸,设计TVD尺寸如图5所示,
图5 TVD方案
计算后的结果表明,采用该方案的扭振得到极大改善,但考虑到成本将增加50元/台,因此该方案并未采纳。

(2)将原铸铁的皮带轮换成铝合金材料,能降低66%的皮带轮转动惯量,减振效果明显。

其优点是可以改动量少并且也不增加成本,但是由于担心铝合金的皮带轮强度不足,最终没有采纳。

(3)改变原皮带轮的外圆尺寸,将转动惯量降低33%左右,如图7所示。

图8的减振结果显示该方案也达到优化目的,并且由于没有使用TVD,成本上也有优势,只是调整了轮盘直径,将影响到附件传动比,如低速下发电机的功率将有所降低,需要进行补充验证。

图 6 TVD方案的扭振结果
图7 减振方案三
图8 方案三扭振结果
1.3整机振动测试对比
图9所示的整机NVH测试结果,选取的测点1为压缩机支架,测点2为进气侧悬置支架,各测量X、Y、Z方向的振动加速度。

绿线是优化前基础机的测试结果,红线为曲轴带轮优化后的测试结果。

从绿线的峰值来看,在高速5700rpm附近的共振较为突出,与扭振的峰值频率也吻合,可以推测这个转速下的振动主要由曲轴扭振贡献。

另外,红线基本在全转速范围内的振动幅值都较优化前得到改善,但在进气侧悬置支架的Z向加速度结果可以看到在3300rpm及4300rpm左右有两个小峰值,与曲轴扭振结果(图8)的转速也较为吻合是。

曲轴皮带轮的优化使这些支架的振动加速度最大值从20g降低至10g左右,改善效果非常显著。

图9 整机NVH测试振动加速度对比
2案例二:扭转刚度不足造成扭振大
2.1问题描述
某一增压发动机扭振试验测试的曲轴前、后端转角差最大值达到0.57deg@4750rpm,而曲轴扭振分析结果为0.565deg@4800rpm,图10为测试及仿真结果的对比。

两个结果的一致在验证分析模型足够准确之外,也说明该发动机扭振应该进行优化。

图10 曲轴前后端扭角分析与测试结果对比
2.2问题分析与解决方案
要降低该轴系的扭振幅度,一是提高系统的扭转模态频率,二是降低负荷。

后者对于发动机开发而言是不现实的举措,而提高系统的扭转模态频率,除了降低系统的转动惯量之外,还可以提高系统的扭转刚度。

由于该发动机前端已采用TVD,并且曲轴的关键尺寸如轴颈直径、缸心距、冲程等也不可改变,曲轴材料为42CrMoH,弹性模量也没有提高的余量,那么提高曲轴扭转刚度的焦点集中在曲拐的设计上,仔细观察当前曲轴web形态,注意到web肩部设计去料过多,原因在于设计者最初考虑的是曲轴的抗弯能力,即图11A中的最小截面I,斜肩设计保证其余各截面,如II的最小面积大于I截面,那么曲拐的抗弯能力没有被削弱,但忽视了曲拐的扭转刚度在这种设计条件下下降了,经过优化,如图11B所示,改动量不大,但单拐的扭转刚度提高10%以上。

8个web都采用这种改进措施,新的曲轴扭振计算结果如图12所示,从计算结果来看优化效果还是令人满意的。

(A)初始设计(B)优化设计
图11 曲柄臂结构(无平衡块的)
图12 改进后的轴系扭振结果
3总结
曲轴系的扭振控制在发动机设计中具有重要意义,原因在于它是发动机NVH性能的一个不可忽视的激励源,与正时系统、附件传动系统、变速器传动系统等密切相关,A VL EXCITE Designer对曲轴系进行扭振计算非常迅速有效,扭振分析在发动机概念设计之初应该全面关注以下内容:
(1)发动机全局参数的合理性,预防轴颈直径、重叠度、冲程等设置不合理;
(2)合理控制皮带轮的设计,以及前端摩擦面的承压、摩擦半径等取值;
(3)合理设置飞轮组件质量、惯量,螺栓个数及分布直径等;
(4)关注前、后端转速不均匀性,将曲轴传递给其他系统的激励控制到较低水平;
(5)关注曲轴前、后端螺栓设计及工艺。

参考文献
[1] 陆际清等,汽车发动机设计,北京:清华大学出版社,1993.
[2] 袁兆成主编,内燃机设计,机械工业出版社,2008.。

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