第6期（总第239期） 2018年12月
车用发动机 VEHICLEENGINE
No 6 (Serial No 239)
Dec 2018
基于多体动力学方法的发动机曲轴系全局振动研究
刘佳鑫’，顾灿松“2，袁兆成’，杨征睿
(1吉林大学汽车工程学院，吉林长春130022;2.中国汽车技术研究中心，天津300162）
摘要：采用结合有限元法（FEM)的多体动力学方法，建立了某三缸机的动力学仿具模型及主轴承弹性液力润滑(EHD)轴承模型，并对曲轴系和发动机机体组合结构进行了约束模态分析，计算得到了曲轴系弯曲及扭转振动的强迫共振频率及振型，重点分析了振动形式较为复杂的弯曲振动和轴系整体振动探究了轴系共振产生的原因，并进行试验验证。结果表明，引起曲轴系扭转共振的原因是其扭转自由模态，引起弯曲共振和整体振动的是其约束模态及轴系机体组合结构的刚体模态，且轴承约束对担转模态影响微小，该计算体系与研究结论为发动机曲轴系振动的预测与控制提供了建议和参考。
关键词：多体动力学；弯曲振动；约束模态曲轴：有限元法 DOI: 10 3969/j issn 1001-2222 2018 06 001
1文献标志码：B
中图分类号：TK41331
文章编号：1001-2222(2018)06-0001-08
曲轴系作为发动机的动力输出轴，同时文承受
着缸内燃烧压力的激励，其强度与振动噪声问题直以来都是发动机设计工作者关注的重中之重，曲轴系能否平稳可靠地运转直接决定广发动机的动力性、经济性及NVH性能的好坏。其中.由于其结构的特殊性，曲轴系的振动问题在设计过程中必须严格加以控制。曲轴系的全局振动包括过曲轴轴线的两个垂直平面（xy和xz平面)内的弯曲振动、绕轴线（x轴）的扭转振动、沿轴线（x轴）的纵向振动及整个轴系在弹性约束下的刚体振动，其中曲轴系纵振常耦合主弯振扭振中，一股不会单独出现，因比级振在文中不作单独探究。目前，关于曲轴系扭振的研究较为全面1-6」，涵盖理论模型计算[1-3」、有限元计算4-及测试试验等各个方面，取得了丰富的有指导意义的结果。
相比于扭振，曲轴系弯曲振动的形式则更为复
杂，其共振激励源不单是缸内燃烧压力激励，曲轴 1阶旋转偏心是弯曲共振的另一重要激励。曲轴特殊的结构形式使其弯曲刚度较小.固有频率较低.在发动机工作转速范围内极易发生弯曲共振，共振严重时会导致轴承油膜形成困难、曲轴磨损加剧甚至曲轴断裂。然而对于曲轴系弯曲振动的研究以及共振成因的探究却相对较少。国外学者KouiiFujii" 最早在计算机上应用系数传递矩连和数值计算对曲
收稿日期：2018-08-18；修回日期：2018-11-01
轴系的弯曲振动进行广仿真，并提出了旋转轴系的回转效应和旋转偏心的相关概念，是曲轴弯曲振动研究领域的一大突破。Z.P.Mourelatos」应用 CRANKSYM仿真系统复现并解决了在试验中发现的V6发动机在4800r/min对应240Hz时由于曲轴弯曲共振导致的飞轮强烈偏摆现象。Xing-cai Li9应用分布参数思想建立了曲轴弯曲振动模型并分析了其弯曲振动特性。T.Yamauchitio]和 R.G.Desavale进一步探究了曲轴扭振对弯曲振动的影响。国内学者对于曲轴弯曲振动的研究也在跟进，李学民[12]分析了某4缸机曲轴在一、五主轴颈施加对称约束时的模态。岳东鹏3应用Adams 简要分析了曲轴在2000r/min工况下的弯曲振动。张政14、段秀兵5分析了曲轴弯扭耦合振动并探究了扭振减振器对弯曲振动的影响。舒歌群1-19对曲轴三维振动特性及弯振减振器进行了细致深入的研究。
基于以上研究，针对某款缸内直喷3缸汽油机建立多体动力学虚拟样机模型，充分考虑曲轴和机体等结构件弹性的影响,并在仿真模型中加入弹性液力润滑（EHD）模型，以模拟曲轴系在 1000～6000r/min加速工况下的振动情况，并计算其共振频率及共振振幅。同时，根据以往工程经验，曲轴弯曲共振频率一般很难与自由模态频率相
作者简介：刘佳鑫(1993一），男，硕士，主要研究方向为汽车发动机设计及NVH特性研究；1030913544@qcom，