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随着人们对汽车舒适性的要求逐渐提高,以及汽车行业相关法律法规的日渐严格,柴油机的设计正朝着高性能、低油耗、低噪声的方向不断发展。曲轴是柴油机功率输出的主要部件,曲轴系的扭转振动对柴油机危害很大,也是柴油机产生振动和噪声的主要根源。因此,对柴油机减振、降噪、可靠性方面的研究显得越来越重要。
本文以4105柴油机为研究对象,利用解析法分析了曲轴的自由模态,通过Excite-Designer对柴油机进行数学建模,建立了基于集中质量一弹簧一阻尼的系统模型,研究了曲轴系的扭转振动情况,最后为柴油机匹配了减振器。本文展开了以下方面的工作和研究;
根据4105柴油机的结构特点和简化原则对曲轴进行了简化,建立了三维曲轴模型,确定了各部件的惯量和刚度;利用Hypermesh软件对曲轴进行有限元网格划分,进行模态分析,得到了各个模态的固有频率、振型以及振动节点数量,发现曲轴振动固有频率较低时,扭转振动在曲轴的振动形态中占主导地位。
通过Excite-Designer建立了4105柴油机曲轴系模型,分析了柴油机的自由振动和强迫振动。结果表明,4105柴油机在2560、2735和3125r/min附近转速下发生扭转共振,并且有较大的扭转振幅,需要进行减振。
研究了飞轮惯量对曲轴系的影响,结果表明,随着飞轮惯量的增加,4105柴油机各谐次波的共振转速都在逐渐降低。飞轮惯量的增加对抑制滚振有着明显的作用,但是会使6谐次波的扭转振幅增大,因此合理选择飞轮惯量可控制曲轴的扭转振动以及滚振。
研究了减振器惯性块惯量对4105柴油机曲轴系振动的影响。结果表明,在柴油机工作范围内,随着惯性块惯量的增加,各谐次波的临界转速逐渐减小,3.5、4.5、5.5和6.0谐次波的共振振幅逐渐减小;随着惯性块惯量增加,扭转共振点往较低的转速转移,其原因是共振频率减低使得临界转速降低。
根据曲轴的扭转振动特性确定了减振器的匹配参数,对其减振性能进行了分析。结果表明,曲轴系中各谐次波都得到明显下降,最大振幅为6谐次波引起的振动,振幅为0.112°。
利用台架实验对匹配减振器前后的4105柴油机曲轴扭转振动特性进行了研究。结果表明,所匹配的减振器能够使得扭转振动控制在允许的范围内,通过此方法匹配的减振器能够达到设计要求。