第2期（总第235期） 2018年4月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No 2 (Serial No 235 )
Apr2018
基于虚拟样机的3缸机曲轴系扭振分析及优化研究
董俊红”，李伟’，杨征睿，刘佳鑫”，聂尔冰”
(1.中国汽车技术研究中心，天津300300;2.吉林大学，吉林长春130022;3中国民航大学，天津300162）摘要：3缸发动机的结构特点使得其惯性力和力矩相对于4缸机难以平衡，其曲轴系的扭转振动更难控制，从
系统伤具体系对某3缸发动机扭转振动进行了分析预测，并进行试验验证，而且对3缸机的扭振特性与扭转控制进行了深入解析与研究。结果显示，虚拟样机能够精确地复现发动机的实际工作状态，其曲轴系上采用的非承载式曲轴扭振减振器使该款发动机的扭振保持在较好水平。
关键词：汽油机；多体动力学；曲轴扭转振动 DOI: 10 3969 /j issn 1001-2222 2018 02 010
中图分类号：TK41331
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2018)02-0057-07
随着国内汽车市场竞争的日益激烈，汽车的驾驶平顺性、振动及噪声逐渐成为影响产品销量的重要指标，发动机NVH性能也越来越受到主机的关注。小型3缸汽油机作为混合动力的主力机型，在当前节能减排的大环境下，引起了国内外厂家的高度重视和大力开发。而曲轴扭振题是发动机研发过程中必须重视的关键点之一，扭振发生时，曲轴系会产生交变扭转应力，导致传动机构磨损加剧，发动机功率下降，燃油经济性和日靠性变差，其至典轴断裂2],极大影响发动机的NVH特性。对于扭振问题，应用虚拟样机技术可以节省计算时间和研发成本，免无增的模案，为发动机的设计提供巨大的便利。
国外对曲轴扭振的研究起步较早，取得了丰富有指导意义的成果。MaciejZawisza针对橡胶减振皮带轮进行研究，发现改变橡胶环的参数会影响整个曲轴系的弹性」。C.Jagielowicz-Ryzna等通过大量的计算说明曲轴扭振谐振程度与强迫振动阶次的关系[4]。G.W.Kim等介绍了一种压电式能量回收装置PEH来回收曲轴扭转振动能量]。M.De-reszewski等尝试使用IAS（曲轴两端瞬时角速度）的方法来监测曲轴的扭振状况]。B.Chilifiski，M. Zawisza等针对曲轴系和扭振减振器进行了详细的建模和计算分析。B.Kareem通过模型分析了曲轴扭振、轴承润滑等其他因素对曲轴失效的贡献5]
收稿日期：2017-08-03；修回日期：2018-04-10
国内近些年在曲轴扭振方面的研究也发展迅速。李静、王东方等应用ADAMS软件以及对扭振振幅进行FFT操作，得出曲轴前端扭转变形的主因是该转速下的频率及谐次频率。上官文斌、陈超等对曲轴系扭振以集总参数模型进行了理论计算，计算结果与试验值吻合较好10]。
本研究基于一款缸内直喷3缸汽油机，采用有限元法及一维和三维多体动力学法，详细分析了发动机的扭转振动特性，并对比广一维模型和三维模型计算的精确度，且以虚拟样机技术为基础结合试验测试解析了该款发动机在NVH设计上的先进理念，为国内同类自主产品的开发设计与改进提供了
重要的参考依据。 1虚拟样机模型
1.1发动机虚拟样机模型建立
将曲轴系和缸体视为柔性体，利用AVL EXCITE软件建立该3缸机虚拟样机模型（见图1）。为保证模型计算结果的准确性，虚拟样机的边界条件需尽量与实际情况一致，全部采用实测值。图2示出发动机实测缸内燃烧压力。其中，虚拟样机一维Designer模型相关参数设置由三维Power Unit模型简化而得到，以此实现一维和三维的精准建模。
基金项目：国防基础科研项目（B1420110034）；中央高校基本科研业务费专项(3122017016）
作者简介：董俊红（1983一），女，博士，主要研究方向为发动机结构设计;dongjunhong①catareacen，