动力总成隔振及曲轴扭振动态特性理论分析与试验研究

发布时间：2020-07-18 03:59

【摘要】：针对车辆、船舶等动力总成系统整体外部振动和内部轴系扭转振动,进行了理论分析、仿真分析及试验研究。建立了多向激励作用的、多隔振支承的、弹性基础支撑的隔振系统动力学模型,以子系统导纳矩阵及整体综合法分析了弹性基础系统动态传递特性,研究了不同组合形式激励作用、基础各向响应功率流传递特性;依据工程实际情况,对振源机器刚体模态进行了解耦分析,并针对工程不规则结构基础隔振系统,发展了以有限元仿真与功率流结合研究系统振动特性的崭新方法,使得功率流理论在工程实际中的应用不再局限于规则基础;从能量角度探讨了曲轴扭转振动特性,分别得到了传统轴盘模型和考虑连接轴分布质量参数特性轴盘模型的扭振功率流传递特性,并分析了多种结构参数变化对扭振能量传递特性的影响;搭建了隔振系统试验台架,进行了输入系统及基础功率流、加速度导纳与传递率、结构模态及阻尼测试。具体内容如下;对等截面欧拉梁进行微元受力分析,得到了等圆截面直杆、轴、梁的纵向速度导纳、扭转角速度导纳及弯曲速度等多维导纳;建立了多向力及力矩作用的、多隔振器的、梁基础振动隔离系统动力学模型,通过将整体拆解为子系统并求取导纳矩阵推导了输入系统及基础功率流表达式,结合数值仿真,分析了复杂激励及垂向力、侧向力和横向力矩各单一激励作用下的系统功率流传递特性,并分析了基础各向振动波所携带振动能量分布。有限元仿真中着重于基础弯曲模态与隔振器多维共振模态,将仿真结果与理论计算结果进行对比。表明:振源机器刚体模态是引发低频域振动能量传递加剧的主要原因;基础弹性模态是引发振动功率流在中高频段明显上升的原因,其中横向弯曲共振的影响尤为强烈;不同组合形式的激励引发的振动能量传递强度不同,其中横向力矩引起的振动能量传递几乎与复杂激励相同;基础的各向振动所携带的振动能量不同,其中横向弯曲波形式传递的能量最多,弯曲波更容易向周围辐射噪声;基础刚度越高越能阻碍振动能量向基础的传递。建立了动力总成悬置系统运动力学模型,并从理论上计算出动力总成六自由度固有频率,确定了主要振动模态及其工程解耦条件,研究了悬置位置及刚度对耦合刚体模态频率的影响规律;基于理论推导对某重型货车的动力总成悬置系统进行了设计。运用有限元分析与振动功率流计算结合的方法,对工程中不规则的复杂弹性基础悬置系统的振动传递特性进行了研究。表明:动力总成悬置系统设计阶段应尽量保证六自由度固有频率数值间隔大于1Hz,并使其小于(?)分之一的发动机最低怠速激励频率;由不平衡旋转力矩引起的动力总成横摇振动是影响系统怠速隔振性能的主要因素,应通过合理布置支承使其最大程度解耦;以有限元法和功率流理论相结合,得到工程复杂基础隔振系统功率流传递特性,表明基础弹性特性在总体系统振动传输中起关键作用,此方法将功率流理论的应用范围从简化的规则基础发展到了工程中任意不规则基础。建立了曲轴系统近似轴盘模型,其中包括将轴颈简化为无质量只有扭转刚度的连接轴和考虑分布质量参数特性的连接轴,建立了系统力矩与角速度传递方程,推导了输入曲轴系统及右端飞轮的扭转功率流,分析了扭转力矩激励下曲轴系统扭振能量传递特性;研究了轴颈阻尼变化的影响,并探讨了扭转减振器增减转动惯量对系统扭振功率流共振峰位置及量值的影响;对轴盘模型进行有限元模态仿真分析,并与理论计算结果进行比对。表明:整个曲轴系统的扭转共振模态是引起扭振功率流传递加剧的主要原因;连接轴自身扭转弹性模态是激发系统高频扭振功率流出现突出峰值的原因;增大轴颈阻尼可使扭振功率流波峰变缓,但会小幅度提高其它频段的功率流传递;增大扭转减振器转动惯量,曲线共振峰的位置向左偏移,在整个分析频率范围内,功率流传递均有所减弱。对两端固定等长矩形截面欧拉梁基础的单层隔振系统进行了功率流传递测试、加速度导纳和传递率测量、梁和系统整体模态试验及结构阻尼系数测量。将部分结果与理论分析进行对比,表明:由于隔振器的隔振作用,传入基础的振动能量比输入系统的明显减少,且随着激振频率的增高,振动能量呈下降趋势;输入基础的振动能量曲线因基础的弹性模态被激发而出现部分突出峰值;加速度传递率在大部分频段内小于1;在分析频率范围内,柔性基础的前五阶弹性模态被激发,且基础耦合共振频率相比基础自身共振频率较高,以第一阶最为明显;结构阻尼比是弱化振动传递共振峰的必要条件,阻尼的测量占据重要地位。测试结果基本符合理论曲线的趋势和量值,两者结合研究更具说服力。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH113.1
【图文】：

扭转振动,微元,受力情况

服从胡克定律；满足线弹性基本假设的微幅振动情况。逡逑２．２．１等圆截面的杆纵向振动与轴扭转振动速度导纳推导逡逑杆的两种振动微元受力情况（以扭转振动为例）如图２－１所示。逡逑（Ｆ＝邋（（逦（Ｐ逡逑工逦Ｉ邋ｄｘ逦ＧＪｐ逡逑？逦？——？逦逡逑ｌ逡逑＾逡逑７邋－ｃ－邋？邋ｒ＋Ｓ＂逡逑＾邋ｃ＾Ｏ逡逑图２－１杆扭转振动微元受力情况图逡逑等圆截面直杆存在沿轴向传播的纵向波，其自由振动的运动方程为：逡逑ｄ２ｕ邋１邋ｄ２ｕ邋ｆ邋［Ｆ］逡逑ａ？＝＾ａ＾Ｖ邋＝邋Ｖ＾Ｊ逦（）逡逑式中常数为纵向振动波在杆内沿轴向传播的速度。五为弹性模量，ｐ为材料密逡逑度。逡逑同理，相应结构的扭转自由振动的运动方程为：逡逑ｄ２ｅ邋８２ｅ逦［ｇ）逡逑（２－２）逡逑式中ｉ为剪切弹性波沿Ｘ轴的传播速度，Ｇ为材料剪切模量，ｐ为材料密度。由逡逑方程类比可以看出，等圆截面直杆纵向振动与扭转振动的方程形式是相似的，以逡逑下将以扭转振动为例进行分析。逡逑１４逡逑

子系统,速度响应,导纳矩阵,隔振系统

２．３．１系统动力学模型逡逑建立如图所示的梁基础隔振系统动力学模型，该系统根据耦合边界分离面分逡逑为振源刚体子系统Ａ、隔振器子系统Ｂ和梁基础子系统Ｃ，建立如图２－３中所示逡逑的坐标系。其中隔振器为圆柱形，基础为两端固定的欧拉梁。逡逑ｙ逦＾振源机器ａ逡逑——Ｙ逡逑隔振器Ｂ逡逑２：＾逦／邋二邋，逡逑（ …？逦、、．．．邋■—ｒ逡逑屮逦＇梁基础ｃ逡逑图２－３梁基础ｎ支承耦合隔振系统动力学模型逡逑按照能量流向分别定义各子系统输入、输出端并确定广义力与速度矢量方逡逑向与变换关系，如图２４所示。Ａ为振源机器质心到机器与隔振器耦合的界面的逡逑距离，ｑ为第！？个隔振器距振源机器质心的向距离。逡逑Ｖｓ逦分别为振源机器质心所受力及速度响应；振源机器与隔振器逡逑耦合输出力及速度响应矢量为Ｆａ＝［Ｆａｌ，Ｆａ２，．．．，Ｆｊ、Ｖａ＝［Ｖａｌ，Ｖａ２，．．．，ｉｆ，逡逑其中Ｋ逦，Ｖａｉ逦分别为振源机器与第ｆ个隔振逡逑器耦合界面的输出力及速度响应矢量。Ｆｂｔ＝ｆＦｂｔｌ，Ｆｂｔ２，…，Ｆｂｔｎｆ、逡逑Ｖｂｔ

曲线,激励输入,总功率,功率流

逦１３２５．６逡逑如图２－５给出了多向激励共同作用下输入系统和输入梁基础的功率流曲线逡逑图。可以看到低频段有三个明显波峰，这是由振源机器的刚体耦合模态引起的。逡逑关于振源机器刚体模态的计算及解耦分析将在第三章详细讨论。中高频段内，输逡逑入基础的功率流曲线出现大量波峰，原因是随着激励频率的增高，激发了弹性基逡逑础的横向弯曲振动模态，特别由第一阶弯曲模态共振引起的功率流峰值最为明显；逡逑峰值所对应的耦合共振频率数值相比计算的非耦合频率数值偏高。总之，输入基逡逑础的振动能量在分析频率范围内普遍增高，振动功率流出现多个峰值，峰值处甚逡逑至与输入系统功率流量相等，不利于隔振。逡逑２５０

【参考文献】