汽车曲轴扭转减振器的设计.docx

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汽车曲轴扭转减振器的设计

汽车曲轴扭转减振器的设计

07汽车黄好锐

一．摘　　要:

为降低曲轴扭转振动对发动机前端附件驱动系统的影响,在介绍曲轴减振器参数优化设计方法及数学模型的基础上,对曲轴二级并联橡胶扭转减振器参数设计提出了一种新的优化方法,这种方法以同时降低曲轴和带轮的扭转振幅为目标对减振器进行优化。

计算结果表明,采用文中提出的优化设计方法设计的减振器,不但曲轴的扭转振动特性得到改善,曲轴带轮的振动也得到很好控制。

二．关键词:

曲轴橡胶扭转减振器扭转振动优化设计振动模型

三．前言；

汽车发动机曲轴是一个非常重要的部件，它的制造工艺复杂，质量要求高。

当发动机工作时，曲轴振动主要为扭转方向的振动，同时弯曲方向也可能产生振动。

如何减小曲轴的振动，是发动机曲轴设计的重要内容之一。

减少曲轴振动的常用手段是曲轴前端安装减振器。

目前在汽车发动机曲轴系统广泛应用的是橡胶阻尼式单级扭转减振器，其阻尼值偏小，常常达不到曲轴系统的减振要求。

本文介绍了当今国外发动机中应用较多的若干复杂结构型式的汽车发动机曲轴减振器，希望国内的发动机生产厂家在开发新机型时，应采用这些具有良好减振性能的曲轴减振器的新结构，以提高国产发动机曲轴的寿命和降低发动机的振动和噪声

四。

目录；

1．扭转减振器的设计

2.曲轴轴系扭转振动设计

3橡胶扭转减振器设计

4．扭转减振器的DMF的性能设计

5．扭转减振器的阻尼设计

6．扭转减振器优化设计

7．扭转减振器的模型设计

8．结论

五。

正文

1．扭转减振器的设计

扭转减振器主要由弹性元件（减振弹簧或橡胶）和阻尼元件（阻尼片）等组成。

弹性元件的主要作用是降低传动系的首端扭转刚度，从而降低传动系扭转系统的某阶（通常为三阶）固有频率，改变系统的固有振型，使之尽可能避开由发动机转矩主谐量激励引起的共振；阻尼元件的主要作用是有效地耗散振动能量。

所以，扭转减振器具有如下功能：

如何降低主轴承的负荷和曲轴的内弯矩，减小曲轴的扭转振幅，把曲轴的共振转速移向发动机从不使用的转速区域内，把曲轴的扭转频率改到人们感觉不到的频率上去，避免在正常转速内出现共振现象，设计者必须结合自己的经验、现有的计算手段和试验条件，全方位考虑降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，调谐传动系扭振固有频率，增加传动系扭振阻尼，抑制扭转共振响应振幅，衰减因冲击而产生的瞬态扭振。

四冲程内燃机（主要几何参数见表1，各零件的材料参数见表2）相邻两缸的做功间隔曲轴转角为240°，相对于4缸以上发动机来说，做功间隔时间长，发动机运转的均匀性较差，同时3缸内燃机的曲轴长度比相同结构的单缸和双缸内燃机的曲轴长，扭转刚度较小，而随曲轴一起运动的零件（包括活塞、连杆组在内）的转动惯量又较大，所以扭转频率较低，在工作转速范围内容易发生强烈共振。

如不采用特殊措施，轻则使内燃机在运行过程中产生较大噪声，加剧与曲轴相连件的磨损，重则使曲轴断裂。

基于此，考虑到空间结构和曲轴负荷的限制，在众多类型的减振器中，橡胶扭转减振器应运而生。

1）降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，调谐传动系扭振固有频率。

2）增加传动系扭振阻尼，抑制扭转共振响应振幅，并衰减因冲击而产生的瞬态扭振o

3）控制动力传动系总成怠速时离合器与变速器轴系的扭振，消减变速器怠速噪声和主

减速器与变速器的扭振与噪声。

4）缓和非稳定工况下传动系的扭转冲击载荷和改善离合器的接合平顺性。

扭转减振器具有线性和非线性特性两种。

单级线性减振

器的扭转特性如图2-14所示，其弹性元件一般采用圆柱螺

旋弹簧，广泛应用于汽油机汽车中。

当发动机为柴油机时，

由于怠速时发动机旋转不均匀度较大，常引起变速器常啮合

齿轮齿间的敲击，从而产生令人厌烦的变速器怠速噪声。

在

扭转减振器中另设置一组刚度较小的弹簧，使其在发动机怠

速工况下起作用，以消除变速器怠速噪声，此时可得到两级

非线性特性，第一级的刚度很小，称为怠速级，第二级的刚

度较大。

目前，在柴油机汽车中广泛采用具有怠速级的两级

或三级非线性扭转减振器。

图2-14单机线性减震器

在扭转减振器中，也有采用橡胶代替螺旋弹簧作为弹性

元件，以液体阻尼器代替干摩擦阻尼的新结构。

减振器的扭转刚度和阻尼摩擦元件间的摩擦转矩是两个主要参数。

其设计参数还包括极限转矩、预紧转矩和极限转角等。

1.极限转矩

极限转矩为减振器在消除限位销与从动盘毂缺

口之间的间隙△1（图2-15）时所能传递的最大转矩，即限位销起作用时的转矩。

它与发动机最大转矩有关，一般可取

=（1.5～2.O）（2-27）

式中，货车：

系数取1.5，轿车：

系数取2.O。

2.扭转刚度尾

为了避免引起系统的共振，要合理选择减振器图2-15减震器尺寸简图

的扭转刚度足，使共振现象不发生在发动机常用

工作转速范围内.

决定于减振弹簧的线刚度及其结构布置尺寸（图2-15）。

设减振弹簧分布在半径为的圆周上，当从动片相对从动盘毂转过弧度时，弹簧相应变形量为。

此时所需加在从动片上的转矩为

=1000（2-28）

式中，为使从动片相对从动盘毂转过弧度所需加的转矩（N·m）；为每个减振弹簧的线刚度（N／mm）；为减振弹簧个数；为减振弹簧位置半径（m）。

根据扭转刚度的定义=/，则

=1000（2-29）

式中为减振器扭转刚度（N·m／rad）。

设计时可按经验来初选

≤13（2-30）

3·阻尼摩擦转矩

由于减振器扭转刚度受结构及发动机最大转矩的限制，不可能很低，故为了在发动机工作转速范围内最有效地消振，必须合理选择减振器阻尼装置的阻尼摩擦转矩一般可按下式初选

=（0.06～0.17）（2-31）

4.预紧转矩

减振弹簧在安装时都有一定的预紧。

研究表明，增加，共振频率将向减小频率的方移动，这是有利的。

但是不应大于L，否则在反向工作时，扭转减振器将提前停止工作，故取

=（O．05～O．15）（2-32）

5.减振弹簧的位置半径

的尺寸应尽可能大些，如图2-15所示，一般取

=（0.06～0.75）（2-33）

6.减振弹簧个数

参照表2-2选取。

表2-2减振弹簧个数的选取

摩擦片外径D／mm

225--250

250--325

325--350

>350

4--6

6--8

8--10

>10

7.减振弹簧总压力

当限位销与从动盘毂之间的间隙△1或△2被消除，减振弹簧传递转矩达到最大值Ti时，减振弹簧受到的压力为

=／（2-34）

8.极限转角

减振器从预紧转矩增加到极限转矩时，从动片相对从动盘毂的极限转角为

=2arcsin（2-35）

式中，为减振弹簧的工作变形量。

通常取3°～12°，对平顺性要求高或对工作不均匀的发动机，取上限。

目前通用的从动盘减振器在特性上存在如下局限性：

1）它不能使发动机、变速器振动系统的固有频率降低到怠速转速以下，因此不能避免怠速转速时的共振。

研究表明，发动机、变速器振动系统固有频率一般为40～70Hz，相当

于四缸发动机转速1200～2100r／min，或六缸发动机转速800～1400r／min，一般均高于怠速转速。

2）它在发动机实用转速1000～

2000r／min范围内，难以通过降低减振

弹簧刚度得到更大的减振效果。

因为在

从动盘结构中，减振弹簧位置半径较小，

其转角又受到限制，如降低减振弹簧刚

度，就会增大转角并难于确保允许传递

转矩的能力。

近年来出现了一种称为双质量飞轮

的减振器（图2-16）。

它主要由第一飞

轮1、第二飞轮2与扭转减振器11组

成。

第一飞轮1与联结盘9以螺钉10紧

固在曲轴凸缘8上，并以滚针轴承7和

球轴承5支承在与离合器盖总成3紧固

的同轴线的第二飞轮2的短轴6上。

在

从动盘4中没有减振器。

双质量飞轮减振器具有以下优点：

1）可以降低发动机、变速器振动系

统的固有频率，以避免在怠速转速时的

共振。

图2-=16双质量飞轮减振器

1-第一飞轮2-第二飞轮3-离合器盖总成

4-从动盘5-球轴承6-短轴7-滚针轴承

8-曲轴凸缘9-联结盘10-螺钉11-扭转减振器

2）可以加大减振弹簧的位置半径，降低减振弹簧刚度K，并允许增大转角。

3）由于双质量飞轮减振器的减振效果较好，在变速器中可采用粘度较低的齿轮油而不致产生齿轮冲击噪声，并可改善冬季的换挡过程。

而且由于从动盘没有减振器，可以减小从动盘的转动惯量，这也有利于换挡。

但是它也存在一定的缺点，如由于减振弹簧位置半径较大，高速时受到较大离心力的作用，使减振弹簧中段横向翘曲而鼓出，与弹簧座接触产生摩擦，使弹簧磨损严重，甚至引起早期损坏。

双质量飞轮减振器主要适用于发动机前置后轮驱动的转矩变化大的柴油汽车中。

扭转减振器的初步设计

1.设计原则

满足曲轴强度的扭振幅值α<0.2°，满足乘客舒适性的扭振幅值α<0.1°。

2.扭转减振器的作用

在轴系中，扭转减振器能起到调整轴系系统扭转振动频率，利用阻尼因素消耗轴系的激励能量或兼有调频与阻尼两种作用。

3.扭转减振器的结构

考虑到轿车发动机受空间位置限制的影响，同时考虑轮系布置和传动方便，一般选择橡胶扭转减振器，如图1所示，本3缸小排量发动机扭转减振器由轮毂、天然橡胶圈和多楔带轮三部分组成，本减振器将橡胶圈做成带有沟槽、凸台的形状，则大大提高压缩量，并提高了隔振性能，但相对变形量控制在10％～20％范围内，载荷大时做成承压式，载荷小时做成承剪式。

橡胶圈安装时，可以将特制的橡胶圈压入到减振器的轮毂和多楔带轮之间，也可以通过硫化工艺，用橡胶将轮毂和多楔带轮联结在一起。

硫化橡胶减振器是将加工好的轮毂外圈和多楔带轮的内圈分别涂上一种特种胶，放入立式硫化机床工作台上，在151℃的硫化温度条件下，保温时间20min，注射压力为20MPa，液态橡胶被压装到轮毂和多楔带轮之间。

一般来说，硫化橡胶型扭转减振器由于硫化的橡胶和金属粘在一起，它的抗拉强度、耐久性和减振效果要强一些，批量生产时各零件间的固有频率变化不大。

扭转减振器的橡胶圈材料采用的是天然橡胶，主要是因为天然橡胶的回弹性、拉伸强度、伸长率、耐磨、耐撕裂和压缩永久变形、耐冲击性、耐老化性均优于大多数合成橡胶，耐脆性温度较低（-50～70℃）。

4.工作原理

当内燃机产生扭转振动时，橡胶减振器的轮毂和多楔带轮之间产生相对运动，使橡胶来回揉搓，振动能量就这样被橡胶的内摩擦阻尼所吸收，从而使振动得到消减，由于橡胶有一定的柔度，故对轴系有一定的调频作用。

5.橡胶减振器的优点

（1）橡胶减振器具有持久的高弹性、良好的隔振缓冲和隔声性能，造型和压制方便；可自由地选择形状和尺寸，以满足刚度要求，具有适量的阻尼以吸收振动能量，对高频能量的吸收尤为见效。

（2）橡胶的另一个重要的特性是体积不可压缩性.其弹性是由于受力后体积形态发生变化的结果，为使橡胶具有弹性，必须留有足够的空间，保证橡胶自由地向四周膨胀。

橡胶减振器的计算

1.理论计算

为了满足发动机曲轴系设计的舒适性，需要对曲轴系进行扭振分析，本报告采用AVLEXCITE软件对372发动机曲轴系进行扭振计算分析。

发动机的转速低于3100r/min时，发动机产生的振动主要是滚振，滚振频率以1.5阶为主，这是由内燃机曲轴循环转速振动造成的，不能用来作为发动机扭振的评估对象，与发动机本身的固有频率有关，这要通过发动机的悬置系统来解决，非减振器能消除。

当发动机的转速在3100～3900r/min时，发动机扭振比较大，尤其是在5阶或6阶频率时，扭振达到峰值，当发动机的转速超过4000r/m