1、本科毕业论文（20 届）发动机曲轴的振动分析所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期发动机曲轴的振动分析摘要：根据 3018 柴油机曲轴给定的参数，依据经验公式和实际情况，对曲轴的结构尺寸进行改进。在适当的简化下，利用三维软件 Pro/E，建立曲轴的三维实体模型。然后利用有限元分析软件 ANSYS 完成曲轴仿真振动（模态）的分析，并收集仿真模型数据，得出曲轴的前几阶模态，得到曲轴的固有频率和振型。结果表明，曲轴的固有频率均高于工作转速对应的频率，不易产生共振；曲轴在低阶频率下，主要以弯曲模态为主,随着阶数的增长,变形也随之增大,但变形发生的部位有所不同。通过模态分析的研究，研究该
2、发动机曲轴振动机理，并提出相应的改进措施，降低曲轴振动。关键词：曲轴，三维实体模型，模态分析，频率，振型Vibration Analysis of Engine CrankshaftAbstract：According to the parameters of 3018 diesel engine crankshaft is given, on the basis of the empirical formula and the actual situation, the structure size of crankshaft is improved. In the simplified,
3、using 3D software Pro/E, a three-dimensional model of the crankshaft. Then using finite element analysis software ANSYS to complete the simulation of crankshaft vibration (modal) analysis, and collect the data of simulation model, the first few modes of the crankshaft, and obtained the natural frequ
4、ency and vibration mode. The results show that, the natural frequency of the crankshaft are higher than the working speed of the corresponding frequency, not easy to produce resonance; crankshaft at low frequencies, mainly in the bending mode, with the order of growth, deformation increases, but the
5、 deformation of different parts. Through the research of modal analysis, research on the mechanism of the engine crankshaft vibration, and put forward some corresponding improvement measures, reduce the crankshaft vibration. Keywords: crankshaft, three-dimensional entity model, modal analysis, frequ
6、ency, vibration modeI目 录1 绪论 .11.1 课题研究背景.11.2 模态分析国内外研究状况.21.2.1 模态分析概述 .21.2.2 国外研究状况 .31.2.3 国内研究状况 .51.3 课题研究的目的和意义.61.4 课题的主要研究内容.62 曲轴三维模型的建立.72.1 Pro/E 软件简介.72.2 曲轴的工艺分析.72.2.1 曲轴的工作条件及设计要求.72.2.2 曲轴材料的选取.82.2.3 曲轴结构尺寸改进.82.3 曲轴的简化.102.4 曲轴实体建模.103 曲轴的模态分析.143.1 ANSYS 简介.143.2 曲轴模态分析步骤.153.2.
7、1 建立有限元模型.153.2.2 指定分析标题.153.2.3 定义单元类型.153.2.4 定义材料属性.163.2.5 划分网格.173.2.6 模态分析设置.183.2.7 施加边界条件.193.2.8 进行求解.203.2.9 查看结果.20II结 论 .32参考文献 .33致 谢 .3411 绪论1.1 课题研究背景发动机是机器的心脏，是动力设备的核心部件,已经广泛应用于现代工农业中，其性能的好坏直接影响着设备的运行。随着科技水平的不断发展，人们对车辆的舒适性、安全性以及发动机的动力性、经济性等要求越来越高，对汽车发动机的噪声、振动和行驶平顺性也越来越重视。因此，发动机及其零部件的
8、不断优化及改进便成了当今汽车行业的重中之重。曲轴是发动机中不可或缺的机件之一，被誉为发动机的脊梁，曲轴的结构设计关系到整个发动机甚至整个动力装置的工作状况，因此，对曲轴各方面的分析便成了首先需要考虑的问题，模态分析便是其中之一。曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成，如图所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，直列式发动机曲轴的曲拐数目等于气缸数，而 V 型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。图 1.1 曲轴1-主轴颈 2-连杆轴颈（曲柄销） 3-前端轴 4-平衡重 5-曲柄曲轴是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下（往复）运动变成循环（旋转）运
9、动，它承受复杂、交变的冲击载荷，承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以及由此产生的扭矩、弯矩的共同作用。是发动机中最重要的2部件之一，也是发动机设计的重点和难点。曲轴是向外输出动力的关键性部件，曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系统的源动力,其性能好坏直接影响到汽车发动机的质量和寿命。为了适应发动机的工作状况，对曲轴的强度和刚度有很高的要求。曲轴的强度、刚度是发动机正常工作的前提，是保证发动机可靠运行的保障。同时，曲轴部分的结构形状和主要尺寸对曲轴的抗弯疲劳强度和扭转刚度起主要作用。曲轴的尺寸参数及加工工艺水平不仅影响着发动机整体尺寸和质量，并且对曲轴本身的固有频率影响也非常大，
10、设计不当时很有可能使曲轴产生共振，从而使曲轴失效。因此，曲轴在发动机的设计与改进中占有极其重要的地位，曲轴的加工工艺也是曲轴设计方面的一个重要因素，应该得到重视。除此之外，曲轴材料的选择也是生产曲轴所要面临的一个问题，曲轴材料是否拥有较长的使用寿命，能否承受住交变应力的作用而不致曲轴过早失效等问题都是在选择曲轴材料所需要考虑到的，对材料的选取也是不可忽略的。在发动机工作过程中，曲轴主要受气体压力、往复作用力和旋转惯性力的作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，产生疲劳应力状态，对发动机其它部件有很大的影响。且由于连杆作用在曲轴上力是周期性变化的，这就使得曲轴会产生扭转振动，曲轴系统可能在发动机转速范围
11、内发生强烈的共振，动应力急剧增加，致使曲轴过早地出现弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，这样会降低发动机的动力性能，也可能会破坏曲轴所驱动的附属机构，从而损坏整个发动机。因此,对曲轴的振动特性进行精确的计算对于提高曲轴的设计精度及寿命有着重要的意义。1.2 模态分析国内外研究状况1.2.1 模态分析概述模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与振动） 。模态分析是所有动力学分析类型的最基础内容。模态分析能很简便的求解复杂机构的结构性能参数，因此在曲轴的振动研究中也得到很广泛的使用。模态分析技术源于20世纪30年代提出的
12、将机电进行比拟的机械阻抗技术。直到320世纪50年代末，该技术仅限于离散稳态正弦激振法，60年代中后期在以快速傅里叶变换(FFT)为代表的数字信号处理技术、参数识别方法以及小型计算机发展的基础上，振动模态分析应运而生，并在航空、航天、机械、土木等工程领域获得了广泛的应用。当时因为计算机技术的限制，模态分析技术也因此长期处于停滞不前的发展状况，不过，自从电子技术更新突飞猛进之后，模态分析已成为现今对振动分析的一大热点。模态分析作为分析振动现象的方法已广泛的应用到工程领域中。模态分析是研究结构动力特性的一个分支，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定
13、的固有频率、模态振型和阻尼比，这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这个过程称为模态分析过程。它的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析为结构的动态特性的一类近代研究方法。机械结构固有的振动特性称之为模态。模态反映了模态特性参数，比如固有频率、振型和阻尼等称之为模态参数。任一阶的模态均有与之对应的模态参数。当各阶模态相叠加时，就可以看出结构的固有振动特性概况。结构的模态能通过模态分析方法计算以及试验取得。模态分析为基于线性的叠加原理，一个结构复杂的振动由很多阶的模态叠加而成，
14、其中有对结构贡献很大的模态，与之对应的也有对结构振动贡献不多的模态。因此，应该应用一种方法确定出主要的模态，通过这样的计算分析才得以掌握结构的振动实质。这种计算分析的方法就是模态分析，实质是将结构的复杂振动形式细分成其他简单并且独立的振动，再利用一些模态参数来表征的过程。试验模态分析和解析模态分析是模态分析的两种方法。如前述细分过程应用有限元计算方法求解获得模态参数的，定义为解析模态分析，也可以称为计算模态分析;如果是基于对试验采集的系统输入、输出信号作为分析处理后获得模态参数的，就称为试验模态分析。本文所应用的是解析模态分析方法。1.2.2 国外研究状况早期曲轴振动的研究中，由于技术水平的限
15、制，曲轴是按绝对刚性体来处理的。从 19 世纪末到 20 世纪初，各种断轴事故的分析报告和文章逐渐出现，人们对于轴4系的扭转振动的研究也逐渐深入。1916 年德国工程师盖格尔(Geiger)发表了用机械式盖格尔振动仪测量轴系扭转振动的文章后，扭转振动的研究开始了实测和试验阶段。1921 年德国学者霍尔兹(Holzer)发表文章提出了用一种表格法(通称霍尔兹法)来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动的固有频率和振型，并可应用于强迫振动，后来的研究者如 Timoshenko, Tuplin 等相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法的基础上进一步发展了扭转振动分析方法，将曲轴简化为质量圆盘系统，并
16、采用等效当量阻尼，因而更接近于实际工况。60 年代，国外学者大量采用点传递矩阵和场传递矩阵来研究曲轴的振动，通常称为传递矩阵法或 Myklestad-Prohol 法。70 年代，Doughty 等采用扩展了的传递矩阵(Extended Transfer Matrix)来分析有阻尼的曲轴振动，并用 Newton-Raphson迭代法求解复数固有频率，在传递矩阵计算中，当轴系支撑过多、频率较高时，可以使用 Riccati 法来改善由于矩阵病态而可能发生的数值不稳定现象。传递矩阵法的优点是矩阵的维数不随系统自由度的增加而增加，且各阶振型的计算方法完全相同。因而计算简单、编程方便，计算时所需的内存少
17、、耗用机时短，被广泛地应用于曲轴振动问题的分析与研究。但这种方法在分析自由度较多的复杂轴系时，由于传递矩阵的误差积累，使计算精度下降，因此高阶频率的计算精度较低。80 年代初期，日本学者提出了消阻法(Reduced Impedance Method)以及动态刚度矩阵法(Dynamic Stiffness Matrix)来分析离散或连续体曲轴扭转振动。为了快速而准确的预测曲轴在周期运动中的扭转应力，Peter.J 等应用了模态分析技术。由于模态分析法减少了系统的自由度，其计算所耗机时及内存均不太高，如果子系统划分合理，其计算精度也是令人满意的。此外，模态分析法还可与试验研究相结合，通过实测轴系振
18、动的传递函数，得到系统振动模态参数(包括固有频率、振型、阻尼、模态惯量、模态刚度等)。80 年代后期，随着计算机技术的迅速发展，各种有限元软件(NASTRAN ,ANSYS等)的相继出现，用有限元法在曲轴动力学分析中得到广泛的应用，这是目前公认的精度最高的计算方法。为了解决有限元分析计算精度可比性和计算成本等问题，Nadolsk 等将弹性波理论应用于曲轴轴系的振动问题分析，该方法是一种快速且较精确的振动分析方法。 近年来，对曲轴动力学特性分析的研究日益广泛和深入。许多学者运用有限元法、试验方法和动力刚度矩阵方法研究了曲轴的振动特性以及曲轴振动与机体振动5之间的关系。大众汽车公司(Volkswa
19、gen AG)在改进 European1.9L TDI ( turbo-diesel-inj ection 直喷式涡轮增压)发动机的过程中广泛的使用了有限元方法分析。在此基础上 Athavale 等人采用集成参数有限元方法做了进一步的探索。曲轴系零件之间的耦合作用通常是非线性的，这种耦合作用对于描述系统的动力学特性非常重要。多体系统模拟可用于研究这类问题，其中零件的结构刚度远大于零件之间的联接元件刚度，考虑到曲轴的变形，含有柔性体的多体动力学综合了有限元方法与刚体动力学的优点，可以在零至数千赫兹范围内准确跟踪频率，并且能够灵活地改变外载荷、运动节点和约束条件。Raub 等人运用了这种包含柔性体
20、的多体系统动力学分析方法，得到的结果与实验数据吻合程度相当高。美洲虎公司为其顶级轿车 XJ8 开发全新的 AJV8 发动机也采用了类似的技术。1.2.3 国内研究状况国内模态分析起步较晚，首次应用早在 60 时年代,当时主要应用于航天航空及汽车领域,但是技术还不够成熟。可以说，模态分析与试验学会所组织的全国性的学术交流活动对模态分析的发展起了一个很大的推动作用，第一届机械阻抗与参数识别交流会在 70 年代末期召开，它的产生，扩大了人们对模态分析的了解。此后，每隔 2 至 4 年，这样的交流会便会如期举行，第四届会议更是成立了中国模态分析与试验研究会，它的成立及此后举行的会议在无形当中给了很多人
21、启迪。同时，随着电子信号处理技术的飞速发展以及各种有限元软件的兴起,国内在 20 世纪 80 年代左右，才开始对模态分析这块才有了一定的熟悉，慢慢的趋于成熟,并在解决工程中所存在的结构振动与故障诊断中广泛应用。1982 年长春汽车研究所的黄积喜利用模态分析方法对曲轴的扭转振动响应特性及扭转模态进行了分析，为后续科研工作者奠定了扎实的基础。进入 90 年代，在1995 年，由华北工学院的张红兵和杨世文及山西车用发动机研究生的王海成用ANSYS 有限元分析法对某高速柴油机曲轴进行了自由模态分析，分析求出了前 5 阶模态参数，并与实验结果进行了比较，为曲轴的强迫振动和曲轴的优化设计提供了理论依据，并
22、以此为基础进行曲轴动态响应特性研究和结构动力修改。尽管我国在模态分析方面起步较晚，但经过 20 余年的努力，在理论和方法研究上我国目前已经接近世界先进水平，并且模态分析的方法已经渗透到我国各个行业，6比如，为了避免汽车各零部件及发动机的共振，水下鱼雷的振动与噪声控制，建筑方面的桩基断裂检测技术，种种基于模态分析的成就不胜枚举。1.3 课题研究的目的及意义随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加恶劣，在各种周期性载荷的交变作用下，如何保证曲轴的动态特性成为曲轴设计的关键性问题。因此，发动机的可靠性和寿命对其动态特性提出了非常高的要求，研究曲轴的自由模态分析便成为了不可阻挡的潮流。通过对曲
23、轴振动的研究与分析，揭示发动机曲轴振动的规律性,并对其进行控制，降低车用发动机的整机振动。提高汽车发动机性能。此研究曲轴的动态性能，掌握曲轴在工作过程中的振动规律以及载荷的变化规律，对提高曲轴的可靠性和寿命具有十分重要的意义。研究该发动机曲轴振动机理，并提出相应的改进措施，降低曲轴振动。同时，为曲轴振动研究分析提供一个可行、可靠的思路和方法。1.4 课题的主要研究内容本课题将以 3108 型柴油机曲轴为研究对象，基于有限元方法，对曲轴进行模态分析，了解曲轴在工作过程中的振动规律以及载荷的变化规律。(1)用 Pro/E 建立曲轴实体模型，并建立 Pro/E 和 ANSYS 之间的接口将曲轴实体导入 ANSYS 中，建立有限元模型。(2)对曲轴模型进行模态分析，得出曲轴的固有频率和振型及各个模态对结构的影响。(3)根据得到的仿真模型数据进行分析得出结论。
