曲轴扭转减振器介绍

2 扭转减振器介绍
2.1 扭转振动的控制方法
对于曲轴的扭振，如果在内燃机工作转速范围内，根据扭振计算以及实测发 现内燃机确实存在着较大的扭转振动，就必须采取适当的措施，以便将扭转振动 予以回避或者将其消减，以保证内燃机工作的安全可靠。扭转振动的避振预防措 施有很多种，可综合归纳为以下三种方法[5,6]： (1) 频率调整法 由扭转振动特性可知， 当激励扭振的作用频率ω与扭转振动系统的某一固有 频率 ω0 相同时，将会发生极其剧烈的动态放大现象，即共振现象。因此耍避 开发生ω=ω0，的可能，也即避开动态放大最严重的工况，就可能免除扭转振动 过大所引起的一切后果。本方法的基本概念就是使ω主动躲过ω0 。这种方法主 要措施有调整惯量法、调整柔度法等。通过调整，使系统本身的自振频率躲过激 振频率。使振动应力降至瞬时许用应力范围之内，这样就避免了因扭转振动过大 对内燃机造成损害。这种方法是扭转振动预防措施中应用最广的措施之一，这不 仅是由于它的措施比较简易可行，还在于当达到调频要求以后，它的工作将是有 效的与可靠的。但频率调整法有个缺点是调频的幅度较小，以至于在实际应用中 受到限制。 (2) 减小振能法 激励扭矩是导致扭转振动的动力源。 由于激励扭矩输人系统的能量是扭转振 动得以维持的源泉，如果能够减小输人系统的振动能量，也就能直接减小扭转振 动的量级。方法之一是改变内燃机的发火顺序，当在机器所使用的转速范围内， 危险的扭转振动是副临界转速时，有可能用此方法来消减危险的扭转振动，减小 其危险程度。 方法之二是改变曲柄布置， 在多缸内燃机中故意选用非等间隔发火， 适当选择曲柄角以改变曲柄布置，可以使任何主、副临界转速中的某些简谐扭振 相互抵消而避开危险的扭转振动。 方法之三是选择最佳的曲柄与功率输出装置的 相对位置，使二者的干扰扭矩互相抵消，可以消减曲轴的扭转振动。 (3) 装设减振器 装设减振器能改变轴系的扭振特性。减振器就其特性而言，可分为三大类： 动力减振器，主要依靠它的动力效应改变轴系的自振频率，使之移出工作转速范 围，达到避振目的，如弹簧式和摆式动力减振器等；阻尼减振器，主要依靠固体 的摩擦阻尼或液体的粘性阻尼来吸收干扰力矩输入系统的振动能量， 以减小振动， 如橡胶减振器和硅油减振器等；复合减振器，就是既有调频作用，又有阻尼降幅 作用，如硅油橡胶减振器和硅油弹簧减振器。下文有关于这三类减振器有详细介 绍。
2.2 扭转减振器的种类
内燃机装在减振器上可以大大地降低传递到底座上的振动，同样,扭转振动 也可以在它们达到底座之前消除。如果在发动机曲轴的前轴头上安装减振装置，

那么，减振器就会吸收发动机对其旋转轴所产生的扭转振动。这表明了减振器在 内燃机系统中所起的重要作用。对减振器的技术要求是很高的，主要要求有弹性 材料的强度在使用和贮存过程中要可靠，与金属的固定要牢靠，在安装阶段刚性 波动范围要小， 技术特性不随时间而变化。 现在， 主要的减振器有动力型减振器、 [5,6] 阻尼型减振器以及动力阻尼型减振器 。 (1) 动力型减振器
图 2.1
无阻尼弹性减振器示意图
动力减振器是通过弹性元件把辅助质量连接到振动系统上的一种减振装置。 起减振原理与摩擦减振器不同它不靠消耗能量来减振， 而是通过辅助质量的动力 作用，是弹性元件在主系统上产生的惯性力矩正好与激振力矩大小相等、方向相 反，以此来达到减振目的[7]。如图 2.1 所示。 (2) 阻尼减振器
图 2.2
阻尼减振器示意图
阻尼减振器是靠阻尼消耗激振能量达到减振目的，见图 2.2。主要的有硅油 减振器间，其减振器壳体与曲轴固定，轮换与壳体之间充满高粘度硅油。当轴系 发生扭振时，壳体与曲轴一起振动，而轮环由于惯性作用与壳体之间相对运动， 硅油因摩擦阻尼而吸收振动能量， 对扭振系统起减振作用。 这种减振器结构简单， 减振效果好，工作可靠、耐用，使用较广泛。 (3) 动力阻尼型减振器

图 2.3
阻尼弹性减振器示意
在动力减振器内，加上适当的阻尼，就形成了有阻尼的动力减振器。动力阻 尼型减振器兼有上述两种作用，如橡胶弹性减振器、橡胶硅油减振器、硅油弹簧 减振器等，见图 2.3，从理论上讲，动力阻尼型减振器效果最好，因为它既能利 用弹性产生动力效应，又能利用阻尼消耗激振能量。从而达到降低新出现的共振 振幅，扩大减振的频率范围，进一步改善减振的效果。因此，有阻尼动力见这起 可以更好的利用来减少变速运转机器的振动。 在汽车和船舶的传动系中得到了广 泛的应用。但这种减振器与曲轴连接的弹性元件，如弹簧、橡胶等，常处在大振 幅、高应力下工作，工艺较复杂，成本较高。 (4) 摆式减振器
图 2.4
摆式减振器
摆式减振器是一个悬挂在转动系统上的离心振动摆， 如图 2.4 所示， 实际上， 它也是一种动力减振器起作用原理与动力减振器相同。 当摆的固有频率和主系统 的频率相等时，它所产生的惯性反力矩即可平衡干扰力矩，从而消除振动。由于 离心振动摆的固有频率可随转速变化， 因此它在变速运转机器的整个运转范围内， 对于某一次或几次强迫振动都有减振作用。 常用它来减小发动机在变速运转时的 扭转振动。
2.3 扭转减振器的结构
目前在汽车发动机曲轴系统中广泛应用的是橡胶阻尼式单级扭转减振器， 对

于单级的减振器 （只具有一个惯性质量） 已有较为成熟的设计理论与计算方法。 ， 在轿车发动机曲轴系统中广泛使用的橡胶阻尼式减振器的阻尼值偏小， 达不到最 优设计阻尼系数比的要求。硅油或硅油-橡胶式阻尼减振器，可以提供较大的阻 尼而满足设计的最优阻尼，但其制造工艺复杂，成本相对较高。为降低成本，在 轿车发动机的曲轴扭振减振系统中，一般采用橡胶阻尼式减振器。随着轿车发动 机的轻量化和大功率化， 单级橡胶阻尼式减振器的减振效果已满足不了曲轴系统 扭转振动控制的要求， 目前在一些轿车发动机上已经采用了多级的橡胶阻尼式减 振器，即多级动力减振器，以提高国产发动机曲轴的寿命和降低发动机的振动和 噪声[8]。 与柴油机曲轴系统的扭转振动相比较， 汽油发动机曲轴系统的扭转振动相对 较小，因而在轿车发动机的曲轴扭振减振系统中，一般只用橡胶阻尼式扭转减振 器的结构形式。随着轿车发动机的轻量化设计和高功率化，普通的单级扭转减振 器的减振效果已经满足不了高功率、 轻量化发动机的曲轴系统扭转振动控制的要 求，目前在一些轿车发动机上已经采用了多级扭转减振器。当今在国外发动机中 应用有较多的复杂结构型式的汽车发动机曲轴减振器（图 2.5） 采用这些具有良 ， 好减振性能的曲轴减振器的新结构， 有利于提高发动机曲轴的寿命和降低发动机 的振动和噪声。
Lynx R4-TD
2,5 I-R5 TDI
2,5 I-R5 TDI
V8-TDI
2,0 I-R4 TD
图 2.5
汽车发动机曲轴减振器
2.3.1 单级扭转减振器 图 2.6 为两种常见结构形式的单级扭转减振器。其中，图 2.6(a)的惯性质量 同时兼做皮带轮，因此图 2.6(a)中的橡胶件同时承受扭转和径向方向的载荷；图 2.6(b)中的惯性质量不作为传动件，橡胶件仅仅承受扭转方向的动载荷，其橡胶 的疲劳寿命较图 2.6(a)中橡胶的疲劳寿命更容易满足设计要求。因此，在单级曲 轴扭转减振器的设计中，应优先考虑图 2.6(b)所示的结构形式。