基于精確動(dòng)態(tài)剛度矩陣法的內(nèi)燃機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)、縱向及彎曲三維耦合振動(dòng)研究.pdf

1、振動(dòng)問題是內(nèi)燃機(jī)的一種主要的噪聲和危害來源。為了提高內(nèi)燃機(jī)的可靠性，降低內(nèi)燃機(jī)的工作噪聲，改善內(nèi)燃機(jī)車輛的舒適性，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中提出了NVH(Noise，Vibration&Harshness)的概念。內(nèi)燃機(jī)軸系振動(dòng)是內(nèi)燃機(jī)各種振動(dòng)中的主要振動(dòng)之一，其振動(dòng)形式是較復(fù)雜的三維空間振動(dòng)，主要包括同時(shí)耦合發(fā)生的扭轉(zhuǎn)、縱向和彎曲振動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)軸系振動(dòng)的研究，比如振動(dòng)計(jì)算與試驗(yàn)、減振避振等，都已取得了較大的進(jìn)步?？墒侵钡阶罱?，這些研究仍局限于一種

2、或兩種振動(dòng)形式的獨(dú)立分析。本論文以動(dòng)態(tài)剛度矩陣和精細(xì)時(shí)程積分法為基礎(chǔ)，分析了內(nèi)燃機(jī)軸系的三維耦合振動(dòng)形式。 本文首先推導(dǎo)了空間連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)、縱向、彎曲(考慮剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響)振動(dòng)時(shí)，兩端狀態(tài)向量之間的傳遞矩陣。使用變換關(guān)系將該矩陣轉(zhuǎn)換為空間連續(xù)梁單元的動(dòng)態(tài)剛度矩陣，該剛度矩陣能夠正確地描述空間連續(xù)梁單元的物理模型。使用空間連續(xù)梁單元可以建立內(nèi)燃機(jī)軸系的計(jì)算模型，按照通用有限元程序總剛度矩陣的組裝方法既可組成系統(tǒng)的總動(dòng)態(tài)

3、剛度矩陣。在自由振動(dòng)求解時(shí)，為了克服插值搜根法等自由振動(dòng)固有頻率數(shù)值計(jì)算方法容易“丟根”、收斂速度慢的缺點(diǎn)，本文選用了Williams-Wittrick方法(W-W法)。該方法可以有效地求出任意頻率范圍內(nèi)的所有固有頻率(包括重特征根)。結(jié)合傳統(tǒng)的振動(dòng)理論，推導(dǎo)了空間結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)固有振型的計(jì)算方法。本方法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算空間三維框架結(jié)構(gòu)和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系自由振動(dòng)的固有頻率和固有振型問題。 第二，以流體動(dòng)力潤滑理論為基礎(chǔ)，對徑向滑動(dòng)

4、軸承和推力軸承的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。結(jié)合有限元方法，分析了軸承承載能力的計(jì)算方法和過程。用四節(jié)點(diǎn)平面等參單元將軸承的承載區(qū)進(jìn)行劃分，選取Gümbel邊界條件，求解Reynolds方程，計(jì)算出徑向滑動(dòng)軸承的周向和軸向的壓力分布。以此為基礎(chǔ)，計(jì)算出徑向滑動(dòng)軸承的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。 第三，進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)軸系強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算。分析了軸系中各部件的單元?jiǎng)討B(tài)剛度矩陣，系統(tǒng)總動(dòng)態(tài)剛度矩陣的組裝方法，在相應(yīng)的頻率下從總動(dòng)態(tài)剛度矩陣中求出系

5、統(tǒng)的總質(zhì)量矩陣和總剛度矩陣的方法以及內(nèi)燃機(jī)軸系強(qiáng)迫振動(dòng)的主要激勵(lì)來源等。通過上述分析，建立了內(nèi)燃機(jī)軸系強(qiáng)迫振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。比較各種時(shí)域振動(dòng)分析方法，選擇使用精細(xì)時(shí)程積分法進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)域強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算。通過算例檢驗(yàn)，本方法有較高的計(jì)算精度和較小的計(jì)算量。 第四，在上述計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以6110柴油機(jī)為實(shí)例進(jìn)行了相應(yīng)的分析計(jì)算。主要分析了多種狀態(tài)的軸系自由振動(dòng)，油膜支承的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)及其對系統(tǒng)自由振動(dòng)固有頻率的影響，系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)的時(shí)

6、域響應(yīng)。還使用集中質(zhì)量法計(jì)算了軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并在6110柴油機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的實(shí)際測量，兩者有很好的一致性。為了增加VA-10振動(dòng)測試分析儀的實(shí)用性，開發(fā)了相應(yīng)的通訊程序，使該儀器可以很好地與計(jì)算機(jī)通訊。使VA-10能夠方便地進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)軸系縱向振動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)機(jī)體表面振動(dòng)的測量。 最后，為了在實(shí)際工程中更好地降低內(nèi)燃機(jī)軸系的振動(dòng)，研究了減振器的概念性設(shè)計(jì)。結(jié)合無減振器6110柴油機(jī)軸系強(qiáng)迫振動(dòng)的實(shí)際特點(diǎn)，提出使用三質(zhì)量系統(tǒng)簡