多缸内燃机曲轴系统瞬态振动时变边界条件的耦合作用机理研究

Crankshaft system is one of main vibration sources in internal combustion engine. The characteristics of its transient vibration are related to its own structural properties, transient load conditions and transient constrained conditions. The latter two can be referred to as time-varying boundary conditions. As for multi-cylinder diesel engine, the time-varying boundary conditions have a key role in influencing the transient vibration of crankshaft cystem. This project is to study the coupled mechanisms of the time-varying boundary conditions of crankshaft transient vibration in multi-cylinder diesel engine, and it is based on the previous work in which the dynamic model of a piston-connecting rod unit, the elastic vibration model of crankshaft and the lubrication model of bearing have been completed. The main contents of this project are as follows: (1)Develop the nonlinear vibration models of the piston-connecting rod unit, with taking the elastic deformation of connecting rod and contact gap into consideration;(2) Develop coupled model of block transient vibration-bearing deformation-lubrication-crankshaft transient vibration, with taking the out-of-round, slope and alignment deviation of each bearing into consideration, as well as the torsional vibration, the offset and slope of each journal; (3)Develop the transient dynamic model of crankshaft rotating motion, and get the dynamic characteristics of fluctuations in crankshaft speeds; (4)Study the coupled mechanisms of the time-varying load boundary conditions and the time-varying constrant boundary conditions of crankshaft transient vibration at a crankshaft rotating speed with fluctuations.

曲轴系统是内燃机主要振动源之一，其瞬态振动特性缘于自身结构属性、瞬态载荷条件和瞬态约束条件，后两者可统称为时变边界条件。对于多缸内燃机，时变边界条件作用机理对于影响曲轴系统的瞬态振动特性具有关键作用。本项目在前期工作中已建立的一组活塞连杆单元动力学模型、单缸机曲轴弹性振动模型和滑动轴承润滑模型基础上，开展多缸内燃机曲轴系统瞬态振动时变边界条件的耦合作用机理研究。主要研究内容：（1）研究活塞连杆单元非线性振动模型建立方法，计及连杆弹性变形和接触间隙影响；（2）研究机体瞬态振动-轴承变形-润滑油膜-曲轴瞬态振动耦合模型建立方法，考虑机体瞬态振动条件下轴承失圆、倾斜和同轴度偏差影响，以及曲轴自身瞬态振动条件下轴颈扭振速度、倾斜和中心偏移影响；（3）研究曲轴转动瞬态动力学模型建立方法，获得曲轴瞬时转速波动规律；（4）研究多缸内燃机曲轴在转速波动条件下时变力边界条件和时变约束边界条件的耦合作用机理。

曲轴系统是内燃机主要振动源之一，其瞬态振动特性缘于自身结构属性、瞬态载荷条件和瞬态约束条件，后两者可统称为时变边界条件。对于多缸内燃机，时变边界条件作用机理对于影响曲轴系统的瞬态振动特性具有关键作用。本项目在前期工作中已建立的一组活塞连杆单元动力学模型、单缸机曲轴弹性振动模型和滑动轴承润滑模型基础上，开展了多缸内燃机曲轴系统瞬态振动时变边界条件的耦合作用机理研究。主要研究内容：（1）研究了活塞连杆单元非线性振动模型建立方法，计及连杆弹性变形和接触间隙影响；（2）研究了机体瞬态振动-轴承变形-润滑油膜-曲轴瞬态振动耦合模型建立方法，考虑了机体瞬态振动条件下轴承失圆、倾斜和同轴度偏差影响，以及曲轴自身瞬态振动条件下轴颈扭振速度、倾斜和中心偏移影响；（3）研究了曲轴转动瞬态动力学模型建立方法，获得曲轴瞬时转速波动规律；（4）研究了多缸内燃机曲轴在转速波动条件下时变力边界条件和时变约束边界条件的耦合作用机理。. 研究发现，当考虑时变力边界条件和时变约束边界条件的耦合作用后，各主轴承的油膜反力波动明显更剧烈；主轴颈倾斜的最大值变大，整体倾斜情况更加严重；各主轴承的最小油膜厚度减小，这是因为机体变形降低了轴承座承载刚度，轴承的承载能力相对下降。曲轴系统是一个复杂的动力学系统，其动力学研究涉及流体、机械动力学、结构振动多个研究方向的交叉。本项目研究成果揭示了曲轴系统复杂的力边界条件和约束边界条件的作用机理，具有重要科学意义，该成果可应用于内燃机低噪声设计和发动机振动控制。. 基于本项目研究成果，进一步对曲轴轴承振动控制进行了探索性研究，发明了低噪声主轴承盖，基于挤压油膜阻尼器原理衰减曲轴轴承振动传递的能量，从而有效控制传递给机体、机脚的振动量级。该项探索性研究取得了国内发明专利和美国发明专利授权，该成果可应用于内燃机低噪声设计和发动机振动控制，具有广阔的工程应用前景。.