发动机曲轴的振动分析.doc

1、发动机曲轴的振动分析摘要：根据3018柴油机曲轴给定的参数，依据经验公式和实际情况，对曲轴的结构尺寸进行改进。在适当的简化下，利用三维软件Pro/E，建立曲轴的三维实体模型。然后利用有限元分析软件ANSYS完成曲轴仿真振动（模态）的分析，并收集仿真模型数据，得出曲轴的前几阶模态，得到曲轴的固有频率和振型。结果表明，曲轴的固有频率均高于工作转速对应的频率，不易产生共振；曲轴在低阶频率下，主要以弯曲模态为主,随着阶数的增长,变形也随之增大,但变形发生的部位有所不同。通过模态分析的研究，研究该发动机曲轴振动机理，并提出相应的改进措施，降低曲轴振动。关键词：曲轴，三维实体模型，模态分析，频率，振型Vi

2、bration Analysis of Engine CrankshaftAbstract：According to the parameters of 3018 diesel engine crankshaft is given, on the basis of the empirical formula and the actual situation, the structure size of crankshaft is improved. In the simplified, using 3D software Pro/E, a three-dimensional model of

3、the crankshaft. Then using finite element analysis software ANSYS to complete the simulation of crankshaft vibration (modal) analysis, and collect the data of simulation model, the first few modes of the crankshaft, and obtained the natural frequency and vibration mode. The results show that, the na

4、tural frequency of the crankshaft are higher than the working speed of the corresponding frequency, not easy to produce resonance; crankshaft at low frequencies, mainly in the bending mode, with the order of growth, deformation increases, but the deformation of different parts. Through the research

5、of modal analysis, research on the mechanism of the engine crankshaft vibration, and put forward some corresponding improvement measures, reduce the crankshaft vibration. Keywords: crankshaft, three-dimensional entity model, modal analysis, frequency, vibration mode目 录1 绪论11.1课题研究背景11.2模态分析国内外研究状况21

6、.2.1 模态分析概述21.2.2 国外研究状况31.2.3 国内研究状况51.3课题研究的目的和意义61.4课题的主要研究内容62曲轴三维模型的建立72.1 Pro/E软件简介72.2曲轴的工艺分析72.2.1曲轴的工作条件及设计要求72.2.2曲轴材料的选取82.2.3曲轴结构尺寸改进82.3曲轴的简化102.4曲轴实体建模103曲轴的模态分析143.1 ANSYS简介143.2曲轴模态分析步骤153.2.1建立有限元模型153.2.2指定分析标题153.2.3定义单元类型153.2.4定义材料属性163.2.5划分网格173.2.6模态分析设置183.2.7施加边界条件193.2.8进行

7、求解203.2.9查看结果20结 论32参考文献33致 谢34I1 绪论1.1 课题研究背景发动机是机器的心脏，是动力设备的核心部件,已经广泛应用于现代工农业中，其性能的好坏直接影响着设备的运行。随着科技水平的不断发展，人们对车辆的舒适性、安全性以及发动机的动力性、经济性等要求越来越高，对汽车发动机的噪声、振动和行驶平顺性也越来越重视。因此，发动机及其零部件的不断优化及改进便成了当今汽车行业的重中之重。曲轴是发动机中不可或缺的机件之一，被誉为发动机的脊梁，曲轴的结构设计关系到整个发动机甚至整个动力装置的工作状况，因此，对曲轴各方面的分析便成了首先需要考虑的问题，模态分析便是其中之一。曲轴一般由

8、主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成，如图所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴的曲拐数目等于气缸数，而V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 图1.1 曲轴1-主轴颈 2-连杆轴颈（曲柄销） 3-前端轴 4-平衡重 5-曲柄曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复）运动变成循环（旋转）运动，它承受复杂、交变的冲击载荷，承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以及由此产生的扭矩、弯矩的共同作用。是发动机中最重要的部件之一，也是发动机设计的重点和难点。曲轴是向外输出动力的关键性部件，曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系

9、统的源动力,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命。为了适应发动机的工作状况，对曲轴的强度和刚度有很高的要求。曲轴的强度、刚度是发动机正常工作的前提，是保证发动机可靠运行的保障。同时，曲轴部分的结构形状和主要尺寸对曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度起主要作用。曲轴的尺寸参数及加工工艺水平不仅影响着发动机整体尺寸和质量，并且对曲轴本身的固有频率影响也非常大，设计不当时很有可能使曲轴产生共振，从而使曲轴失效。因此，曲轴在发动机的设计与改进中占有极其重要的地位，曲轴的加工工艺也是曲轴设计方面的一个重要因素，应该得到重视。除此之外，曲轴材料的选择也是生产曲轴所要面临的一个问题，曲轴材料是否拥有较长的使用

10、寿命，能否承受住交变应力的作用而不致曲轴过早失效等问题都是在选择曲轴材料所需要考虑到的，对材料的选取也是不可忽略的。在发动机工作过程中，曲轴主要受气体压力、往复作用力和旋转惯性力的作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，产生疲劳应力状态，对发动机其它部件有很大的影响。且由于连杆作用在曲轴上力是周期性变化的，这就使得曲轴会产生扭转振动，曲轴系统可能在发动机转速范围内发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使曲轴过早地出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，这样会降低发动机的动力性能，也可能会破坏曲轴所驱动的附属机构，从而损坏整个发动机。因此,对曲轴的振动特性进行精确的计算对于提高曲轴的设计精度及寿命有着重要的意义。1

11、.2 模态分析国内外研究状况1.2.1 模态分析概述 模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与振动）。模态分析是所有动力学分析类型的最基础内容。模态分析能很简便的求解复杂机构的结构性能参数，因此在曲轴的振动研究中也得到很广泛的使用。模态分析技术源于20世纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。直到20世纪50年代末，该技术仅限于离散稳态正弦激振法，60年代中后期在以快速傅里叶变换(FFT)为代表的数字信号处理技术、参数识别方法以及小型计算机发展的基础上，振动模态分析应运而生，并在航空、航天、机械、土木等

12、工程领域获得了广泛的应用。当时因为计算机技术的限制，模态分析技术也因此长期处于停滞不前的发展状况，不过，自从电子技术更新突飞猛进之后，模态分析已成为现今对振动分析的一大热点。模态分析作为分析振动现象的方法已广泛的应用到工程领域中。模态分析是研究结构动力特性的一个分支，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、模态振型和阻尼比，这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这个过程称为模态分析过程。它的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数

13、。 模态分析为结构的动态特性的一类近代研究方法。机械结构固有的振动特性称之为模态。模态反映了模态特性参数，比如固有频率、振型和阻尼等称之为模态参数。任一阶的模态均有与之对应的模态参数。当各阶模态相叠加时，就可以看出结构的固有振动特性概况。结构的模态能通过模态分析方法计算以及试验取得。 模态分析为基于线性的叠加原理，一个结构复杂的振动由很多阶的模态叠加而成，其中有对结构贡献很大的模态，与之对应的也有对结构振动贡献不多的模态。因此，应该应用一种方法确定出主要的模态，通过这样的计算分析才得以掌握结构的振动实质。这种计算分析的方法就是模态分析，实质是将结构的复杂振动形式细分成其他简单并且独立的振动，再

14、利用一些模态参数来表征的过程。试验模态分析和解析模态分析是模态分析的两种方法。如前述细分过程应用有限元计算方法求解获得模态参数的，定义为解析模态分析，也可以称为计算模态分析;如果是基于对试验采集的系统输入、输出信号作为分析处理后获得模态参数的，就称为试验模态分析。本文所应用的是解析模态分析方法。1.2.2 国外研究状况早期曲轴振动的研究中，由于技术水平的限制，曲轴是按绝对刚性体来处理的。从19世纪末到20世纪初，各种断轴事故的分析报告和文章逐渐出现，人们对于轴系的扭转振动的研究也逐渐深入。1916年德国工程师盖格尔(Geiger)发表了用机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振动的文章后，扭转振动的研

15、究开始了实测和试验阶段。1921年德国学者霍尔兹(Holzer)发表文章提出了用一种表格法(通称霍尔兹法)来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动的固有频率和振型，并可应用于强迫振动，后来的研究者如Timoshenko, Tuplin等相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法的基础上进一步发展了扭转振动分析方法，将曲轴简化为质量圆盘系统，并采用等效当量阻尼，因而更接近于实际工况。60年代，国外学者大量采用点传递矩阵和场传递矩阵来研究曲轴的振动，通常称为传递矩阵法或Myklestad-Prohol法。70年代，Doughty等采用扩展了的传递矩阵(Extended Transfer Matrix)

16、来分析有阻尼的曲轴振动，并用Newton-Raphson迭代法求解复数固有频率，在传递矩阵计算中，当轴系支撑过多、频率较高时，可以使用Riccati法来改善由于矩阵病态而可能发生的数值不稳定现象。传递矩阵法的优点是矩阵的维数不随系统自由度的增加而增加，且各阶振型的计算方法完全相同。因而计算简单、编程方便，计算时所需的内存少、耗用机时短，被广泛地应用于曲轴振动问题的分析与研究。但这种方法在分析自由度较多的复杂轴系时，由于传递矩阵的误差积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度较低。80年代初期，日本学者提出了消阻法(Reduced Impedance Method)以及动态刚度矩阵法(Dynamic Stiff