曲轴扭振分析

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）

四缸发动机曲轴扭振分析

摘要

在发动机工作过程中，曲轴上各曲拐所承受转矩的大小周期性变化的，而曲轴后端的飞轮具有大的惯量，转速可以看成是均匀的，所以各曲拐相对于飞轮就会发生大小和方向作周期性变化的相对扭转振动，产生曲轴轴系的扭转振动。曲轴的扭转振动时，扭转变形的幅度大大超过正常允许值，轻则产生很大的噪声，是磨损加剧，重则使曲轴断裂。因此在设计内燃机时，必须对轴系的扭振特性进行分析，以确定其临界转速、振型、振幅、扭转应力，以及据是否需要采取减振措施进而设计减振器。

本文中首先用pro/E软件对所要分析的曲轴进行建模，用其模型分析功能求取曲轴当量转动惯量，用其Mechanica模块求取曲轴的当量刚度；用矩阵法和霍尔茨法计算曲轴的自由振动，确定曲轴的固有频率和振型；通过对曲轴激振力矩的简谐分析，确定曲轴的单缸转矩振幅；通过对轴系强迫振动计算，确定曲轴的临界转速、共振时的幅值以及曲轴的扭振应力；判别扭振应力的大小是否超过允许应力，如果扭振应力接近或超过允许零件允许值，则对曲轴采取减振措施，设计合适的减振器。

关键词：曲轴；扭振；扭振减振器

I

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）

Abstract

In the process of engine working,crank torque of the crankshaft is periodically changing,while the flywheel is approximately in uniform rotation because of the big moment of inertia of the flywheel.Therefor,the crank have a relative motion compared to the flywheel.,then,the torsional vibration of the crankshaft occurs.When the deformation amplitude of the crankshaft considerably more than the normal value,the engine will produce noising noise,and the abrasion increased,worse more,the crankshaft may crack even broken.Therefore, in the design of the internal combustion engine,the shafting torsional vibration characteristics are analyzed to determine its critical speed, mode, amplitude, torsional stress, as well as designing torsional vibration damper.

Firstly, model the crankshaft to be analyzed with pro / E software,then,we can get the equivalent inertia of the crankshaft and the equivalent stiffness;Secondly,calculate the free vibration of the crankshaft using matrix method and Holtz method,and determine the natural frequencies and mode shapes;Thirdly,determine the amplitude of the single-cylinder crankshaft torque,through analyzing the exciting moment of the crankshaft;Then,determine the critical speed of the crankshaft, crankshaft torsional vibration amplitude and stress by calculating the forced vibration of the crankshaft;Finally,judge whether the size of awkward vibration stress exceeds the allowable stress.If the torsional stress close to or exceeds the allowable value of the crankshaft parts,damping measures must be take to consideration and design the suitable torsional vibration damper.

Keywords: crankshaft, torsional vibration, torsional vibration damper

II

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）

目录

摘要 ........................................................... I Abstract ........................................................ I I 第1章绪论. (3)

1.1 课题研究的目的和意义 (3)

1.2 国内外研究现状 (3)

1.3 本课题的研究内容及技术方案 (4)

1.4 本文的主要研究内容 (5)

第2章曲轴当量扭振系统的组成与简化 (6)

2.1 当量系统的组成与简化 (6)

2.2 当量转动惯量的计算 (7)

2.3 当量刚度的计算 (10)

2.4 本章小结 (15)

第3章轴系自由振动的计算 (16)

3.1 霍尔茨法计算系统的自由振动 (16)

3.2 固有频率和振型的计算 (19)

3.3 本章小结 (21)

第4章曲轴系统的激发力矩 (22)

4.1 作用在发动机上的单缸转矩 (22)

4.2 多拐曲轴上第k阶力矩谐量的相位关系 (24)

4.3 本章小结 (25)

第5章轴系强迫振动与共振的计算 (26)

5.1 临界转速 (26)

5.2 曲轴系统的共振计算 (27)

5.2.1 轴系共振计算 (27)

5.2.2 共振振幅计算 (29)

5.2.3 曲轴扭振应力计算 (30)

5.3 本章小结 (31)

第6章扭转振动的消减措施 (32)

6.1 扭转振动的消减措施 (32)

6.2 减振器的设计 (33)

6.3 装减振器后扭振当量系统振动计算 (35)

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