汽车发动机振动的若干主要激励源分析

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　　单缸发动机的激励源

　　发动机工作中产生的不平衡惯性力和力矩是引起汽车振动的主要激励源之一。

　　发动机悬置系统是汽车振动系统重要的子系统，适当选择发动机支承参数，不仅可使整车振动及噪声水平明显下降，而且能防止发动机机件过早损坏，提高车上各零部件的疲劳寿命。

　　1、惯性力激励源
　　讨论发动机振动时，常在保证重心位置和总质量不变的条件下，把整套曲柄连杆的质量用集中在曲柄销与活塞销上的两个质量来代替。

　　集中在曲柄销的质量等速圆周运动的离心惯性力为：

　　ω为曲轴的角速度。

　　集中在活塞销的质量作上下往复运动：

　　λ=r/l 为曲柄半径与连杆长度之比。

　　根据△ABC和△OAB的几何关系，得活塞位移的近似公式：

　　活塞速度公式：

　　活塞加速度公式：

　　集中在活塞销上质量的往复惯性力：

　　单缸发动机中往复运动部分的惯性力由两部分组成：

　　      · 幅值为m2rω2，变化频率等于曲轴角速度即ω;曲轴每转一转，它变化一次，称为一次惯性力。

　　      · 幅值为m2λrω2，变化频率等于2倍的曲轴角速度即2ω;曲轴每转一转，它变化二次，称为二次惯性力。

　　2、单缸发动机的总激励源

　　当发动机工作时，作用在曲柄连杆机构上的主动力是：

　　pg为活塞顶面上气体的爆发压力;D为活塞直径。

　　活塞的受力平衡方程：

　　可解出连杆的轴向力Pt 和活塞的侧向压力Pn：

　　迫使曲轴旋转的主动力矩为：

　　由上式可知，气体压力和往复惯性力对曲轴产生周期性转矩，变动幅值较大，激起曲轴系统的扭转振动。

　　活塞作用在缸体上的侧向压力为：P'n=Pn，这产生一反力矩，使发动机缸体绕曲轴轴线作反向转动。

　　曲轴的受力平衡方程：

　　解出支承的反作用力：

　　曲轴作用在轴承上的铅垂力N'x=Nx，由三部分组成：

　　气体压力Pg与作用在发动机气缸顶部的气体压力P'g互相平衡，只能使气缸受到拉伸或压缩，不会引起汽车振动;往复惯性力Pj 和惯性离心力Pr的铅垂分量会传到车架上，引起整车的铅垂振动。

　　曲轴作用在轴承上的水平力N'y=Ny，由三部分组成：

　　气体压力和往复惯性力部分Pgtanβ+Pjtanβ与活塞对缸壁的压力P'n构成一反转力偶，该反转力矩通过发动机支承点传到车架上，使整车产生横向摆动;旋转质量的惯性离心力的水平分量传到车架上，引起整车水平振动。

　　多缸发动机的激励源

　　多缸直列发动机可视为由曲轴连接起来的几个单缸发动机。作用在整个缸体上的干扰力，应是各单缸受到的干扰力组成的一组空间力系。

　　多缸发动机受力

　　发动机缸体受力

　　设以φi表示第i个曲柄相对于第1个曲柄的夹角，设有n个缸，可得回转离心力在垂直方向的合力为：

　　往复惯性力的合力为：

　　总铅垂干扰力为：

　　水平干扰力仅与旋转质量的离心惯性力Pr的水平分量有关：

　　绕水平 y 轴转动的干扰力矩 My 等于各缸铅锤干扰力对 y 轴的力矩：

　　li 为第 i 个曲柄到简化中心的距离。

　　绕铅垂轴的干扰力矩等于各缸水平干扰力对 x 轴的力矩，它仅与旋转惯性力有关：

　　绕曲轴轴线的扭转干扰力矩是与惯性力及气体压力有关的周期函数。

　　作用在直列多缸发动机上的干扰力和干扰力矩都是曲轴转角的周期函数，它们引起发动机和车架的振动。

　　来源：节选自《汽车振动与噪声控制》
　　作者：胡爱军