发动机平衡分析及平衡优化设计

论文摘要

发动机振动问题一直是影响发动机及车辆工作性能的不利因素。近年来随着人们对车身轻量化,发动机大功率化等要求的不断提高,发动机引起的车辆振动问题越来越明显。而发动机的振动主要是由其内部活塞、曲柄连杆机构的不平衡运动惯性力造成的。因此针对发动机内部的不平衡惯性力进行平衡优化设计是对发动机振动控制的一个重要方面。本文从发动机的平衡分析和平衡机构优化设计两方面进行了研究。首先,分别应用MATLAB和ADAMS两种软件,通过不同途径对发动机曲柄连杆机构进行了动力学建模、平衡分析,找到了引起发动机振动的主要激励成分。然后对发动机的内平衡和外平衡进行了研究,并对平衡轴机构的设计以及倾覆力矩的抑制方法进行了重点研究,最后针对发动机的内平衡和外平衡分别设计了平衡重和平衡轴机构。主要研究内容如下:(1)对传统基于质点力系的发动机曲柄连杆机构建模思想进行了研究,并基于该思想应用MATLAB编程,得到了一套适用于常见任意发动机的快速平衡分析方法。(2)在ADAMS软件中建立了带有柔性曲轴的发动机曲柄连杆机构模型,并应用该模型对发动机进行平衡分析。(3)对发动机内平衡的平衡目标进行了研究,并设计了两种平衡重分布方案,研究了平衡前后两方案对曲轴内力矩和各轴承受力的影响。(4)根据平衡轴机构的工作特性曲线为正弦或余弦形式的特点,研究了一种先优化得到平衡轴的最优工作特性曲线,再以最优工作特性曲线为目标曲线对平衡轴进行设计的方法。(5)研究了一种能使平衡轴安装位置灵活变动的方法,可使平衡轴的安装位置适应不同发动机内部空间要求,有效地避免了发动机内部运动干涉的发生。(6)基于对发动机倾覆力矩的频域分析,研究了一种建立倾覆力矩近似数学函数的方法,通过该数学函数无需大量计算即可直接得到平衡轴的安装参数。并针对发动机倾覆力矩的激振成分主要集中在几个频率处的特点,研究了一种设计不同转速平衡轴对倾覆力矩各主要激振成分分别进行平衡的方法。根据以上理论分析,以某60°V8发动机为例,对该发动机进行平衡分析及平衡机构优化设计。在ADAMS中对设计方案进行了仿真验证,结果显示所设计的方案均达到了理论预期的平衡效果,从而证明了本文研究得到的理论成果的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 发动机平衡技术国内外研究现状
• 1.2.1 发动机振源概述
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.2.3 国内研究现状
• 1.2.4 现代仿真技术在发动机平衡技术中的应用
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 发动机平衡技术规律及设计原则总结
• 2.1 平衡轴机构工作特点及设计原则
• 2.2 旋转惯性力（矩）的平衡技术
• 2.3 往复惯性力（矩）的平衡技术
• 2.4 倾覆力矩的平衡技术
• 2.5 小结
• 3 发动机动力学模型的建立及平衡分析
• 3.1 传统建模及实例分析
• 3.1.1 传统建模
• 3.1.2 单缸发动机动力学分析
• 3.1.3 直列多缸发动机动力学分析
• 3.1.4 V 型双缸发动机动力学分析
• 3.1.5 V 型多缸发动机动力学分析
• 3.1.6 实例分析
• 3.2 带有柔性曲轴的发动机曲柄连杆机构建模及实例分析
• 3.2.1 Pro/E 中建立曲轴模型
• 3.2.2 Ansys 中进行模态分析
• 3.2.3 在ADAMS/ Engine 中导入柔性曲轴
• 3.2.4 实例分析
• 3.3 基于MATLAB 的发动机快速平衡分析方法研究及实例分析
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 关键技术
• 3.3.3 结果显示
• 3.3.4 实例分析
• 3.4 小结
• 4 发动机的内平衡研究
• 4.1 内平衡概述
• 4.2 曲轴类型的选择
• 4.3 内平衡目标选取及分析
• 4.3.1 内力矩的分析
• 4.3.2 主轴承平均受力分析
• 4.4 平衡重实例设计
• 4.4.1 两种平衡重设计方案
• 4.4.2 两种平衡方案比较
• 4.5 小结
• 5 发动机外平衡研究
• 5.1 平衡目标
• 5.2 惯性力平衡技术研究
• 5.3 倾覆力矩平衡技术研究
• 5.3.1 计算方法及思路
• 5.3.2 不同转速平衡轴平衡效果研究
• 5.3.3 多平衡轴技术研究
• 5.4 平衡轴机构实例设计
• 5.4.1 单轴平衡机构设计
• 5.4.2 双轴平衡机构设计
• 5.4.3 多轴平衡机构设计
• 5.5 平衡轴结构的设计
• 5.5.1 平衡轴结构的设计思路
• 5.5.2 实例设计
• 5.5.3 传递机构设计
• 5.6 小结
• 6 全文总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 今后工作展望
• 附录一：计算某60°V8 发动机二阶往复惯性力的程序
• 附录二：计算某60°V8 发动机倾覆力矩的程序
• 附录三：计算某60°V8 发动机平衡轴安装位置的程序
• 附录四：计算某60°V8 发动机各频率处最佳附加力矩曲线的设计程序
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢