浅谈内燃机振动问题

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1、浅谈内燃机振动问题内燃机是一种广泛应用的热能动力机械，在汽车、船舶等领域中，均作为主要原动力。随着内燃机向高速、轻型、大功率方向发展，其振动问题也日益受到关注。内燃机在工作过程中因受到多种激励的作用而产生复杂的振动，为更好地了解内燃机的振动，从而掌握内燃机的工作状况，针对内燃机部件振动、结构振动、轴系振动和整机振动的振动测试系统、信号处理技术和振动控制技术在不断地发展，其目的是能更精确地反映内燃机振动的真实情况，为内燃机的完善提供明确的指导方向。本文旨在系统地阐述和内燃机振动相关的现有成果，分析现有方法的特点，以及展望内燃机振动问题的研究前景。1内燃机振动产生

2、的机理及振动类型1.1振动产生的机理由于内燃机的工作过程屮存在着多种激振力，导致了内燃机的振动。这些激振力可分为由于燃烧发生的直接激振力和由于发动机机械工作发生的间接激振力。只要内燃机运动，本身就存在的激振力，称之为直接激振力，它包括：气缸内的气体压力（燃烧力）、曲柄连杆机构的重力及其惯性力。在直接激振力作用下，而再次激发的力，称Z为间接激振力，通常有活塞敲击、正时齿轮、气门系及燃油喷射系振动。由于激振力的耦合，导致内燃机的振动具有频带宽、形态复杂、非平稳等特点。1.2振动类型内燃机的振动类型通常按照研究重点的不同划分为结构振动、部件振动、轴系扭转振动和整机振

3、动。1.2.1结构振动和部件振动结构振动主要是指实际上具有弹性的内部结构部件，如活塞、连杆、曲轴、机体等，在燃烧气体力和惯性力作用下所激起的多种形式的弹性振动，它是诱发内燃机燃烧噪声和活塞敲击噪声的根源。内燃机的部件很多，它们的振动形式更是多种多样，最常见的是配气系统振动和缸套振动。前者会破坏气门的正常工作，后者将引起缸套的穴蚀。就进排气管的气流震荡是部件振动的另一种形式，它对进排气过程乃至内燃机的整个工作性能都有较大的影响。郭智威⑴对比了不同缸套表面处理对柴油机机体振动的影响，指出缸套表面规则凹坑处理有利于降低机体振动。郭文勇⑵研究了柴油机缸套磨损故障的机体

4、振动监测，得到结论，当缸套间隙正常或中等磨损时，机体振动的增长速度较慢；严重磨损时，振动特征参数值明显增大；如果缸套处于破坏性磨损程度时还继续工作，机体振动则呈指数式增长。上官文斌⑶以汽车排气系统吊耳的垂向动态载荷最小和其静变形量在一定范围内为优化目标，建立了排气系统吊耳动刚度优化模型，测试结果表明，优化后的吊耳刚度能够有效降低车身底板的振动加速度。周志革⑷利用MSC/NASTRAN软件对汽车排气总管进行了模态分析，发现怠速下发动机的激励频率与排气总管的固有频率耦合，并提出通过改进发动机与排气总管的连接方式来改变排气总管的固有频率，从而达到降低振动的目的。王继

5、先⑸基于Ansys软件和试验设备对某4&）型柴油车的排气系统进行了模态试验和谐响应分析,得知排气系统在2阶固有频率处发生了共振，并通过采用优化悬挂位置点的方法对排气系统进行了改进，并取得了良好的降噪效果。刘敬平⑹联合有限元软件与AVL-EXCITE软件,对某轿车排气系统进行了模态与强迫振动分析，为排气系统的空间走向和结构设计提供了强有力的依据。1.2.2轴系扭转振动曲轴系统的振动是引发内燃机振动的重要因素。由于曲轴上作用有大小、方向都周期性变化的切向和法向作用力，曲轴轴系将会同时产生弯曲振动和扭转振动。因为内燃机曲轴一般均采用全支承结构，弯曲刚度较大，所以其弯

6、曲振动的自然频率较高。虽然弯曲振动不会在内燃机工作转速范围内产生共振，但它会引起配套轴系和机体其它部件的振动，是内燃机的主要噪声源。对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较大，故曲轴扭振的频率较低，在内燃机工作转速范围内容易产生共振，如不采取预防措施，轻则引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，重则可使曲轴折断。因此，扭转振动是内燃机设计过程中必须考虑的重要因素。对于船用内燃机来说，由于其行程长,行程缸径比达4左右，使曲拐的纵向刚度大大降低，不但使曲轴轴系纵向自振频率下降，而II由法向力所致的纵向激励也大大增加，增人了在工作转速范围内发

7、生共振的概率和共振烈度，因而近年来对船用内燃机曲轴轴系的纵向振动相当重视。但这个问题主要反映在佼大型的内燃机中，对于行程缸径比较小的中小型内燃札纵向振动并不是一个大的问题。（1）计算模型由于曲轴的结构和受力情况都比较复杂，在计算曲轴轴系的振动特性（振型、固有频率等）时，一般都要将轴系简化为比较简单的力学模型，以便求解。从已有的研究看，用作振动计算的曲轴轴系模型可分为两大类：一类是轴系质量经离散化后集总到许多集屮点的集总参数模型，另一类是轴系质量沿轴线连续分布的分布参数模型集总参数模型把内燃机轴系抽象转换为由若干只有转动惯量而无弹性的刚体，以及一些只有弹性而无转

8、动惯量的轴段组成的离散系统。转换的前提