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发动机曲轴的扭转振动分析
作者：张震来源：《青年与社会》2014年第23期
【摘要】曲轴的振动是影响内燃机生产、设计、制造和使用中的一个很重要因素。曲轴的振动本质上是三维形式的振动，随着人们对曲轴振动的认识和要求，不仅扭转振动是人们研究的主要内容之一，弯曲振动、纵向振动也是研究的重要内容。曲轴振动不但和引起振动的激励有关，而且和曲轴系的动态特性密切相关。文章针对内燃机轴系扭振的危害、产生机理和实验与理论的建立过程及实验与理论结果的比较，以及改善扭振的方法，等方面进行了较为全面的阐述，为认识内燃机轴系扭振提供了较为全面的参考信息。
【关键词】内燃机；曲轴；扭振
一、曲轴扭转振动原因简析
内燃机曲轴装置之所以产生扭转振动，其内因是曲轴本身不但具有惯性，而且还有弹性，由此确定了曲轴本身固有的自由扭振特性。而其外因则是作用在曲轴上周期性变化的激振力矩，例如：大爆发压力的活塞惯性力、曲柄连杆机构的惯性力和重力、附件的不规则阻力矩和外界反作用力，这些力矩是曲轴产生扭振的能量来源，只要机器在运行，这些激振力矩就存在，强迫扭振就持续发生，使得曲轴在运转时产生剧烈的振动。激振力矩的频率、幅值等都对强迫振动的振幅起到极其重要的作用。曲轴按照激振的频率进行强制振动，当激振频率与曲轴本身的固有频率相同时，就会产生共振。当扭振应力超过轴系所能承受的应力时，曲轴将产生断裂。所以控制曲轴扭转振动是内燃机工作者的工作重点之一。
燃机工作时，可燃混合气在气缸内燃烧。由于燃烧时火焰传播速率很快，气缸内产生压力波的冲击与叠加，因此在上止点附近产生很高的爆发压力（压缩点火式发动机的最大爆发压力约90～160个大气压；火花点火式发动机的最大爆发压力相对小一些）和压力升高率（压缩点火式发动机的压力升高率约4～10个大气压曲轴转角）。这些高频大幅振荡的压力波作用在活塞顶面和气缸上，因而产生燃烧噪声和轴系与发动机整机的振动。
由于燃烧过程是周期性的，每循环气缸压力变化曲线可以用一系列不同振幅和相位的正弦波叠加合成。可以看出气缸压力不仅在低频的振幅很大，在高频振幅也很大。当激励力作用在活塞和气缸体时引起整机和曲轴的振动，并辐射出噪声。
二、内燃机曲轴扭振介绍
（一）内燃机类型
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现代的内燃机是交通工具中不可缺少的一部分，不仅在交通工具中有着广泛的应用，工农业生产以及防国防方面r