不同平衡块曲轴对机体振动影响分析

    1 引 言

    随着生活水平的不断提高，人们对汽车的舒适性要求不断提高，作为汽车心脏的发动机的振动和噪声问题日益被人们所重视。机体是发动机的骨架，支撑着各种附件，承受着各种不同的激励载荷，在激励力影响下机体表面发生微幅振动从而辐射噪声，要降低机体振动和噪声辐射，必须从减小激励和优化机体结构两方面进行，而通过曲轴传递的主轴承力是其中最主要的激励力，曲轴平衡块对主轴颈和主轴承负荷有直接影响，在曲轴上添加平衡块，可使负荷沿周向分布比较均匀，减轻主轴承的平均负荷，从而减小传递到机体的振动，选取机体和曲轴的最优匹配组合在很大程度上降低发动机的振动和噪声辐射，所以定性分析不同结构曲轴在工作过程中对机体振动的影响是非常有必要的［1］。

    2 实体和有限元模型的建立

    根据某型发动机机体和曲轴系统的二维图纸，建立机体和曲轴系统的三维模型如图 1、2 所示，其中对于机体汽缸筒，主轴承座和曲轴主轴颈部分实现参数化建模，方便了同系列后续机型三维模型的快速生成。为了方便有限元网格划分以及减少节点规模，对该模型局部进行了简化和省略处理，如省略螺纹和直径小于 10mm 的油孔等。

    由于机体三维模型的复杂性，采用十节点四面体单元对其进行网格划分，可得到较高精度的有限元模型，如图 3 所示。由于曲轴系统模型有规则，故采用八节点六面体单元对其进行网格划分，可得到更为精确的有限元模型和较小的节点规模，有利于提高求解分析效率，计算精度有所提高，如图 4 所示。

    3 机体激励力及其加载和约束边界条件的确定

    3． 1 多柔体动力学理论

    多柔体系统动力学研究由可变形物体以及刚体所组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为。是在多刚体系统动力学基础上进一步考虑部件的变形，研究柔性体变形与其整体刚性运动的相互作用或耦合，以及耦合所导致的独特的动力学效应。变形运动与刚性运动的同时出现及其耦合是多柔体系统动力学的核心特征［2］。

    3． 2 主轴承座激励力的确定

    主轴承座激励力可看做主轴承负荷的反力。主轴承负荷主要受到气缸中的气体压力、运动件的惯性力、运动件的重力、负荷的反作用转矩及机构的支承反力、构件相对运动时产生的摩擦力等因素影响。为了便于计算，对力学模型中的作用力做一些必要的简化处理，不需考虑运动件转矩的影响，考虑主轴承弹性油膜支撑，采用 AVL/Excite 软件建立非线性多体动力学系统计算模型如图 5 所示，某型柴油机主要参数如表 1 所示，输入各种需要的参数，主要输入边界条件燃压力( 以第一缸燃烧上止点为起始点) 如图6 所示，以一个工作循环( 曲轴转角变化 720CA) 为周期进行仿真，计算 1200 r/min( 低转速) 、2000 r/min( 最大扭矩) 、3600 r/min( 标定功率) 三种不同工况转速下四块平衡块和八块平衡块曲轴的主轴承负荷力，如图 7 ～ 10 所示。