内燃机曲轴弯扭耦合非线性振动分析

作     者：王雪娇 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张琪昌

授予年度：2009年

学科分类：08[工学] 080101[工学-一般力学与力学基础] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：内燃机曲轴 弯曲—扭转耦合振动 多尺度法 非线性振动 控制与减振 

摘      要：内燃机曲轴由于应用范围广泛,结构复杂,功能繁多,所以振动形式多样,并且具有多种耦合振动形式,很容易引发多种振动问题,产生系统轴系的损坏、工作不稳定以及工作噪声等问题。目前关于内燃机曲轴的研究主要集中于轴的扭转振动和扭转—纵向耦合振动,形成了比较完备的理论分析、数值模拟与实验研究相结合的体系。由于曲轴的弯曲振动数学模型比较复杂并且具有非线性的性质,现有的研究主要集中于建立数学模型,采用数值模拟的方法对其进行分析,着眼于其非线性动力学方面的理论基础研究还是比较少。因此,建立曲轴弯—扭耦合振动的数学模型,并且运用非线性动力学方法对其进行理论研究就显得尤为重要。针对这一问题,本文的研究内容有以下几个方面: (1)依据动力学基础和达朗贝尔原理,沿用已有曲轴单曲柄圆盘非对称转子弯-扭耦合振动模型,充分考虑刚度不对称和质量不平衡,并且加入线性油膜力影响,建立数学模型,使其更加接近于实际。观察数学方程具有非线性,建立适于多尺度法计算的非线性动力学方程。 (2)充分考虑了实际情况,利用非线性动力学多尺度法对曲轴的弯—扭耦合振动分别讨论两种情形,即非参激振动与参激振动。对于非参激振动,重点分析弯曲振动频率和扭转振动频率之间的关系。对于参激振动,还加入了轴的自转频率与振动固有频率之间的关系。推导出各种情况之下的平均方程。 (3)分析理论计算结果,依据罗芝—胡尔维兹判据判定解的稳定性,并且与数值计算结果进行比对,达到了较好的吻合效果。根据理论推导结果,分析振动的振幅随偏心矩和刚度各向相异系数的变化而变化的趋势,提出了根据这两个参数变化在曲轴设计方面所能够起到的减振措施,对曲轴的减振发展具有重要的作用。