发动机试验台架弹性传动轴设计与匹配研究
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发动机试验台架弹性传动轴设计与匹配研究
苗学刚，周桢
（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 ２０１８０４）
摘要：发动机台架试验中传动轴用于连接测功机和发动机，其设计直接关系试验精度和试验安全，针对发动机台架试验传动 轴设计与匹配的实际要求，建立测功机与发动机双质量系统模型，计算了扭转振动和临界转速，分析了弹性传动轴的特点和 设计要求，从静态和动态上设计和匹配了一种弹性联轴器传动轴，使其发生扭转振动的临界转速在发动机怠速转速以下，避 免了整个试验台架系统发生不良扭转现象，为发动机台架试验中弹性传动轴设计和匹配提供了方法和参考。 关键词：发动机；试验台架；弹性传动轴；扭转振动；匹配 中图分类号：Ｕ４６４．１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４４６（２０１８）０３－００２１－０４
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｔｃｈｉｎｇｏｆＥｌａｓｔｉｃＳｈａｆｔｉｎＥｎｇｉｎｅＴｅｓｔＢｅｎｃｈ
ＭＩＡＯＸｕｅｇａｎｇ，ＺＨＯＵＺｈｅｎ
（ＳＡＩＣＭｏｔｏｒＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒｓｈａｆｔｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｎｅｃｔｔｈｅｅｎｇｉｎｅａｎｄｄｙｎｏｉｎａｎｅｎｇｉｎｅｔｅｓｔｂｅｎｃｈ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｈａｆｔｉｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏ ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｓａｆｅｔｙ．Ｆｒｏｍｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｔｈｅｐｏｗｅｒｓｈａｆｔ，ｔｈｅｔｗｏｍａｓｓｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｏｆｄｙｎｏａｎｄｅｎｇｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｌａｓｔｉｃ ｓｈａｆｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｅｌａｓｔｉｃｓｈａｆｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｔｃｈｅｄｔｏｍａｋｅｓｕｒｅｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｉｓｕｎｄｅｒｔｈｅｅｎｇｉｎｅｉｄｌｅｓｐｅｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｖｏｉｄｓｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｔｅｓｔｂｅｎｃｈｓｙｓｔｅｍ．ＩｔｇｉｖｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｏｆｅｌａｓｔｉｃＳｈａｆｔｉｎ ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｂｅｎｃｈｔｅｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ；ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ；ｅｌａｓｔｉｃｓｈａｆｔ；ｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｍａｔｃｈｉｎｇ
增加，振幅会下降，并且在 ｆ＝槡２ｆｃ时，会降到静态变 形的程度［１］。对于四缸四冲程发动机来说，其对应
的发动机临界转速 ｎｃ为 ｎｃ＝ｆ２ｃ
（２）
为保证临界转速位于发动机正常工作转速范围
以外，一般将临界转速设定在发动机怠速转速 ｎｉｄｌｅ 以下，即
ｎｉｄｌｅ＞槡２ｎｃ １．２．２ 传动轴刚度
（３）
收稿日期：２０１８－０５－０５ 作者简介：苗学刚（１９８７－ ），男，山东邹城人，硕士研究生，研究方向为发动机台架试验测试与试验设备集成。
２２
现 代 车 用 动 力 ２０１８年第 ３期
发动机侧转动惯量之和。
图 １ 双质量系统模型
１．２ 发动机与测功机双质量系统分析
１．２．１ 扭转振动与临界转速
图 １所示的发动机与测功机双质量系统本身具
有形成扭转振动的倾向，２个旋转质量可能会沿轴
的某一位置上围绕中心点产生超过 １８０°的相位振
动，这种扭转振动的共振频率 ｆｃ为：
wk.baidu.com
槡 ｆｃ＝２６π０
Ｃ（Ｉｅ＋Ｉｂ） ＩｅＩｂ
（１）
如果该无阻尼系统受到一个频率为 ｆ的恒定幅
度激振扭矩的作用，随着频率增加，当 ｆ＝ｆｃ时，振幅 变的无限大，此时轴可能会断裂，随着频率的进一步
通过 １．２．１中对双质量系统扭转振动与临界转
速的分析，可以得出以下结论：
ａ．发动机与 测 功 机 的 传 动 轴 应 该 具 有 合 适 的
刚度，以保证临界转速位于发动机正常工作范围以
外，一般设计上将临界转速定在发动机怠速转速以
引 言
在发动机台架试验中，传动轴用于连接测功机 和发动机，其设计与匹配的好坏直接影响试验精度 和试验安全，设计缺陷或者匹配不当的传动轴会产 生诸如扭转振动、发动机或测功机振动、传动轴异响 或损坏、扭矩波动等问题，这些问题的产生将严重影 响到发动机试验过程的质量和安全［１］，因此如何设 计和匹配传动轴以满足发动机台架试验显得非常重 要。本文针对发动机台架试验传动轴设计与匹配的 实际要求，建立和分析了测功机与发动机双质量系 统模型，计算了扭转振动和临界转速，分析弹性传动 轴的特点和设计要求，从静态和动态上设计和匹配
了一种弹性联轴器传动轴，使其发生扭转振动的临 界转速在发动机怠速转速以下，避免了整个试验台 架系统发生不良扭转现象，为发动机台架试验中弹 性传动轴设计和匹配提供了方法和参考。
１ 发动机与测功机双质量系统
１．１ 建立发动机与测功机双质量系统 从简单的基本形式来看，发动机与测功机在试
验台上通过弹性传动轴构成旋转质量系统，这种系 统可以被简化为等效于由挠性轴连接的 ２个旋转质 量系统，通常称为双质量系统［１］，如图 １所示，图中 Ｉｅ为测功机侧转动惯量之和；Ｃ为传动轴刚度；Ｉｂ 为
第 ３期（总第 １７１期） 现 代 车 用 动 力 Ｎｏ３（ｓｅｒｉａｌＮｏ１７１） ２０１８年 ８月 ＭＯＤＥＲＮＶＥＨＩＣＬＥＰＯＷＥＲ Ａｕｇ２０１８
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－５４４６．２０１８．０３．００６ 网络出版时间：２０１８－８－２３１３：２１：３５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６４２．ＴＨ．２０１８０８２３．１３２１．０１８．ｈｔｍｌ
苗学刚，周桢
（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 ２０１８０４）
摘要：发动机台架试验中传动轴用于连接测功机和发动机，其设计直接关系试验精度和试验安全，针对发动机台架试验传动 轴设计与匹配的实际要求，建立测功机与发动机双质量系统模型，计算了扭转振动和临界转速，分析了弹性传动轴的特点和 设计要求，从静态和动态上设计和匹配了一种弹性联轴器传动轴，使其发生扭转振动的临界转速在发动机怠速转速以下，避 免了整个试验台架系统发生不良扭转现象，为发动机台架试验中弹性传动轴设计和匹配提供了方法和参考。 关键词：发动机；试验台架；弹性传动轴；扭转振动；匹配 中图分类号：Ｕ４６４．１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４４６（２０１８）０３－００２１－０４
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｔｃｈｉｎｇｏｆＥｌａｓｔｉｃＳｈａｆｔｉｎＥｎｇｉｎｅＴｅｓｔＢｅｎｃｈ
ＭＩＡＯＸｕｅｇａｎｇ，ＺＨＯＵＺｈｅｎ
（ＳＡＩＣＭｏｔｏｒＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒｓｈａｆｔｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｎｅｃｔｔｈｅｅｎｇｉｎｅａｎｄｄｙｎｏｉｎａｎｅｎｇｉｎｅｔｅｓｔｂｅｎｃｈ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｈａｆｔｉｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏ ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｓａｆｅｔｙ．Ｆｒｏｍｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｔｈｅｐｏｗｅｒｓｈａｆｔ，ｔｈｅｔｗｏｍａｓｓｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｏｆｄｙｎｏａｎｄｅｎｇｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｌａｓｔｉｃ ｓｈａｆｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｅｌａｓｔｉｃｓｈａｆｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｔｃｈｅｄｔｏｍａｋｅｓｕｒｅｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄｉｓｕｎｄｅｒｔｈｅｅｎｇｉｎｅｉｄｌｅｓｐｅｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｖｏｉｄｓｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｔｅｓｔｂｅｎｃｈｓｙｓｔｅｍ．ＩｔｇｉｖｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｔｃｈｉｎｇｏｆｅｌａｓｔｉｃＳｈａｆｔｉｎ ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｂｅｎｃｈｔｅｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ；ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ；ｅｌａｓｔｉｃｓｈａｆｔ；ｔｏｒｓｉｏｎａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｍａｔｃｈｉｎｇ
增加，振幅会下降，并且在 ｆ＝槡２ｆｃ时，会降到静态变 形的程度［１］。对于四缸四冲程发动机来说，其对应
的发动机临界转速 ｎｃ为 ｎｃ＝ｆ２ｃ
（２）
为保证临界转速位于发动机正常工作转速范围
以外，一般将临界转速设定在发动机怠速转速 ｎｉｄｌｅ 以下，即
ｎｉｄｌｅ＞槡２ｎｃ １．２．２ 传动轴刚度
（３）
收稿日期：２０１８－０５－０５ 作者简介：苗学刚（１９８７－ ），男，山东邹城人，硕士研究生，研究方向为发动机台架试验测试与试验设备集成。
２２
现 代 车 用 动 力 ２０１８年第 ３期
发动机侧转动惯量之和。
图 １ 双质量系统模型
１．２ 发动机与测功机双质量系统分析
１．２．１ 扭转振动与临界转速
图 １所示的发动机与测功机双质量系统本身具
有形成扭转振动的倾向，２个旋转质量可能会沿轴
的某一位置上围绕中心点产生超过 １８０°的相位振
动，这种扭转振动的共振频率 ｆｃ为：
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槡 ｆｃ＝２６π０
Ｃ（Ｉｅ＋Ｉｂ） ＩｅＩｂ
（１）
如果该无阻尼系统受到一个频率为 ｆ的恒定幅
度激振扭矩的作用，随着频率增加，当 ｆ＝ｆｃ时，振幅 变的无限大，此时轴可能会断裂，随着频率的进一步
通过 １．２．１中对双质量系统扭转振动与临界转
速的分析，可以得出以下结论：
ａ．发动机与 测 功 机 的 传 动 轴 应 该 具 有 合 适 的
刚度，以保证临界转速位于发动机正常工作范围以
外，一般设计上将临界转速定在发动机怠速转速以
引 言
在发动机台架试验中，传动轴用于连接测功机 和发动机，其设计与匹配的好坏直接影响试验精度 和试验安全，设计缺陷或者匹配不当的传动轴会产 生诸如扭转振动、发动机或测功机振动、传动轴异响 或损坏、扭矩波动等问题，这些问题的产生将严重影 响到发动机试验过程的质量和安全［１］，因此如何设 计和匹配传动轴以满足发动机台架试验显得非常重 要。本文针对发动机台架试验传动轴设计与匹配的 实际要求，建立和分析了测功机与发动机双质量系 统模型，计算了扭转振动和临界转速，分析弹性传动 轴的特点和设计要求，从静态和动态上设计和匹配
了一种弹性联轴器传动轴，使其发生扭转振动的临 界转速在发动机怠速转速以下，避免了整个试验台 架系统发生不良扭转现象，为发动机台架试验中弹 性传动轴设计和匹配提供了方法和参考。
１ 发动机与测功机双质量系统
１．１ 建立发动机与测功机双质量系统 从简单的基本形式来看，发动机与测功机在试
验台上通过弹性传动轴构成旋转质量系统，这种系 统可以被简化为等效于由挠性轴连接的 ２个旋转质 量系统，通常称为双质量系统［１］，如图 １所示，图中 Ｉｅ为测功机侧转动惯量之和；Ｃ为传动轴刚度；Ｉｂ 为
第 ３期（总第 １７１期） 现 代 车 用 动 力 Ｎｏ３（ｓｅｒｉａｌＮｏ１７１） ２０１８年 ８月 ＭＯＤＥＲＮＶＥＨＩＣＬＥＰＯＷＥＲ Ａｕｇ２０１８
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－５４４６．２０１８．０３．００６ 网络出版时间：２０１８－８－２３１３：２１：３５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６４２．ＴＨ．２０１８０８２３．１３２１．０１８．ｈｔｍｌ