1、研究目的及意义

1.1研究目的及意义

在NVH的研究中，即噪声(Noise)、振动(Vibration)和声振粗糙度(Harshness)，发动机产生的振动是影响汽车NVH性能的一个重要方面，也是破坏汽车舒适性的主要原因，同时发动机的振动也会严重影响发动机的工作寿命与工作效率。曲轴轴系的扭转振动是发动机振动的一个重要组成方面，曲轴轴系之所以产生扭转振动，由于轴系本身具有惯性和弹性，因此决定了其自由振动特性，而且曲柄连杆机构的不平衡旋转质量和往复惯性质量产生的周期激振扭矩不断作用在曲轴上。这种有害的振动会严重影响汽车本身的舒适性，严重时甚至会造成曲轴和传动轴的疲劳破坏，尤其在高速、高压的发动机中影响更为严重。发动机曲轴的扭转振动会使曲轴承受交变应力，随着时间的积累，最终会导致轴系零部件的疲劳损坏，可能会引起严重的事故，所以减少曲轴扭转振动变的尤为重要。

减小发动机曲轴扭转振动的常用方法是在曲轴前端安装减振器，橡胶阻尼式扭转减振器因为结构简单、成本较低，而广泛应用于乘用车曲轴减振。假设装有减振器的曲轴轴系为无阻尼扭振模型，根据动力吸振器原理，当减振器的固有频率等于需要衰减的曲轴某阶固有频率时，减振效果最好。实际上橡胶阻尼式扭转减振器具有扭转刚度和阻尼，在扭转减振器惯量环的惯量一定的情况下，其固有频率与橡胶圈扭转刚度、阻尼等有关，而橡胶圈扭转刚度、阻尼跟橡胶圈压缩比、激振频率、激振振幅密切相关。由于橡胶阻尼式扭转减振器固有频率受多种因素影响，且扭转减振器的设计必须满足一些其他的设计要求，故以往的橡胶阻尼式扭转减振器的设计开发是一个不断试验、修正的复杂过程。^[2]

1.2国内外的研究现状分析

发动机曲轴扭转振动计算可采用集总参数模型和分布参数模型;分布参数模型又分为直接用于有限元计算的实体模型、框架模型和阶梯轴模型。Holzer, Doughty^[9]等分别建立了曲轴系统的集总参数模型,将各惯性质量的转动惯量视为常量,采用霍尔兹法和传递矩阵法分析曲轴的扭转振动。集总参数模型的优点是物理概念清晰,使用简单,计算方便。 Bagci，Chang-Seok Han^[10]等采用有限元方法计算曲轴的扭转振动,与传递矩阵法相比,该方法耗时长、占用计算机内存大^[11]。Okamura^[12]改进了有限元模型,提出框架模型来计算曲轴的扭振。

在国内，郝志勇等将弹性波理论应用于曲轴轴系振动问题的分析。2012年，华南理工大学上官文斌^[13]教授提出了发动机曲轴系统扭转振动分析的集总参数模型的建模方法,讨论集总常数模型中各个自由度转动惯量、刚度和阻尼系数的确定方法。利用集总参数模型计算分析曲轴系统的固有频率和在气缸压力作用下曲轴前端的扭振。

在橡胶扭转减振器滑移转矩计算方法研究方面，Meirelles和 Mendes等人^[14]建立发动机扭振计算的数学模型，计算中提出橡胶扭转减振器中橡胶圈的动态剪应力不大于0.4ＭPa。依据该要求和橡胶减振器的几何尺寸，推算橡胶圈传递转矩小于220Nm。考虑到橡胶应力软化效应^[15]、疲劳损伤以及交变激励的影响，扭转减振器的滑移转矩要求往往会增加。现有市场上常见的扭转减振器，滑移转矩的值一般要求在400～600Nm之间。

在国内，2016年，华南理工大学上官文斌教授、聂均等人^[16]提出了橡胶扭转减振器滑移转矩计算的有限元模型，给出了用于橡胶圈有限元建模的橡胶材料参数的确定方法，探讨了橡胶圈与轮毂和惯量环之间摩擦系数的确定方法。研究了橡胶圈的形状对扭转减振器滑移转矩的影响，建立了扭转减振器滑移转矩计算的有限元模型，对直筒形和鼓形两种橡胶扭转减振器的滑移转矩进行计算分析。

在扭转减振器匹配方法的研究方面，比较有代表性的有：

早在上世纪 40 年代，Brock 和 Hartog ^[17]就提出了扭转减振器的优化设计方法：该方法将没装扭转减振器的曲轴轴系等效为无阻尼的单自由度模型；将加装扭转减振器后曲轴轴系等效为双自由度模型；以双自由度模型中曲轴等效系统的扭振幅值最小为目标，优化计算得到扭转减振器的最优扭转刚度和阻尼数值。该优化方法便于计算，直到目前仍在采用。2008 年，Londhe A.等人^[18]介绍了 4 缸 4 冲程发动机曲轴橡胶扭转减振器的设计和优化方法。2013 年，Nagar A.^[19]等人以提高扭转减振器耐久性和降低曲轴扭振幅值为目标对多缸发动机橡胶扭转减振器进行优化。

在国内，2008 年，国内张俊红、倪广建等人[20]基于 BP 神经网络算法对柴油机复合式扭转减振器进行了优化设计。2012年，陈超[21]建立了某 4 缸发动机曲轴轴系的集总参数模型，利用 MATLAB 软件计算了轴系扭振特性，分析了橡胶扭转减振器惯性质量的转动惯量、橡胶圈扭转刚度对曲轴轴系扭振特性的影响，采用曲轴轴系单扭摆模型对橡胶扭转减振器的设计参数进行了优化计算，比较了优化前和优化后的橡胶扭转减振器安装在曲轴前端后曲轴轴系的扭振幅值，结果表明优化后曲轴扭振得到合理控制；2015年，周瑞平、汪萌生等人[22]基于遗传算法对柴油机硅油扭转减振器进行匹配优化。2016年，郭一鸣[23]基于复杂的橡胶扭转减振器动力学模型建立发动机曲轴轴系集总参数模型，开展橡胶扭转减振器多目标性能匹配以及稳健性优化设计。

2. 研究的基本内容与方案

2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究内容

本文主要通过查阅相关资料，掌握轴系简化模型的建立、轴系扭振计算方法、皮带轮的选型方法、皮带轮与轴系的匹配计算方法、MATLAB的应用等。