船用柴油机曲轴减震器的结构设计与优化(附件)
柴油机轴系在运转的过程中护形成扭转振动，这种振动对于柴油机是有害的，常常影响机器设备的正常工作，严重时甚至会使柴油机轴系疲劳损坏。所以减小扭转振动在发动机轴系设计制造中显得十分重要。 对于轴系振动的控制有很多方法，在设计过程中，一般会调整设计参数来避开共振转速。在成形的柴油机上面，则主要是在轴系上安装扭振减振器来减小扭转振动。合理地设计匹配减振器对减小扭振危害十分重要。本文的研究工作主要是对硅油减振器的设计与匹配，主要有以下几方面工作： 1、研究船用柴油机曲轴扭转振动的计算方法，分析曲轴减振器的功能需求。 2、分析计算曲轴减振器的基本参数，计算出最佳阻尼。 3、设计减振器的三维模型，确定减振器的材料及各部位零件的选择。 4、分析减振器的虚拟装配过程及运动仿真。 5、对减振器的关键零件进行有限元分析，进行强度分析和应力分析。 本文设计的硅油减振器，经分析大大减少了原系统的扭转振动的振幅，并符合了减振器的散热要求及强度要求。关键词：柴油机；硅油减振器；扭转振动控制；曲轴Keywords:Diesel engine; silicone oil damper; torsional vibration control; crankshaft 目录
第一章 绪论 1
1.1问题的提出 1
1.2 减振器的类型 1
1.2.1橡胶减振器 2
1.2.2硅油减震器 2
1.2.3硅油橡胶减振器 3
1.3 国内外研究现状 4
1.3.1硅油减振器的研究现状 4
1.3.2 硅油减振器设计概述 4
1.4 本课题研究内容 5
第二章 曲轴扭转振动分析方法 6
2.1轴系扭转振动数理模型 6
2.2轴系无阻尼自由振动计算 9
2.3本章小结 10
第三章 硅油减振器的设计与匹配 11
3.1硅油减振器结构 11
3.2硅油减振器匹配计算 11
3.2.1理论计算 11
3.2.2最佳阻尼系数计算 15
3.3硅油减振器的设计步骤 16
3.3.1惯性环直径及转
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2.2轴系无阻尼自由振动计算 9
2.3本章小结 10
第三章 硅油减振器的设计与匹配 11
3.1硅油减振器结构 11
3.2硅油减振器匹配计算 11
3.2.1理论计算 11
3.2.2最佳阻尼系数计算 15
3.3硅油减振器的设计步骤 16
3.3.1惯性环直径及转动惯量 16
3.2.2壳体尺寸及强度 17
3.3.3减振器间隙设计 19
3.3.4减振器材料 19
3.3.5计算硅油粘度 19
3.3.6减振器散热面积 21
3.4某型号柴油机硅油减振器设计算例 22
3.4.1硅油减振器设计计算 22
3.4.1.1柴油机主要参数 22
3.4.1.2当量系统参数及减振器参数确定 22
3.4.2减振器连接螺栓应力校核 23
3.4.2.1减振器与曲轴连接处螺栓校核 23
3.4.2.2 减振器端盖与底座连接螺栓校核 24
3.5 加装减振器后轴系自由振动计算 24
3.6 本章小结 25
第四章 硅油减振器的模型建立及有限元分析 26
4.1硅油减振器三维模型的建立 26
4.1.1 减振器底座模型 26
4.1.2 减振器惯性环模型 26
4.1.3减振器总体安装模型 27
4.2减振器的运动仿真 27
4.3减振器关键零件的有限元分析 28
4.3.1载荷与边界条件 28
4.3.2计算结果 29
4.3.2.1应力分析云图 29
4.3.2.3热力耦合分析结果 30
4.4本章小结 32
第五章 总结与展望 33
5.1总结 33
5.2不足与展望 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1问题的提出
如今社会，车辆和船舶中都采用内燃机做动力源，内燃机的工作状态与这些动力设备的工作性能息息相关。曲轴在内燃机体系中是非常重要的运动部件，曲轴的强度基本上就决定了内燃机的正常工作状态[13]。
曲轴在运转过程中会产生各种振动，扭转振动作为其中的一种,对轴系的性能影响很大，扭转振动幅度过大会对曲轴造成破坏，甚至会使其断裂[45]。因此对于轴系的设计，必须要慎重考虑轴系扭转振动的问题，要尽可能的让振动量减少。
所谓的扭转振动是指发动机轴系在工作时，在干扰力矩的影响下，产生周期性变化的扭转弹性变形运动。假设轴系阻尼为零，即无阻尼自由振动状态，那么曲轴将会一直进行扭转振动。自由振动的频率也称为系统的自振频率[6]。对于给定的轴系，它的自振频率是一个定值。
曲轴作为一个具有惯性质量的弹性系统，柴油机在运行中它的气缸产生的压力的压力和运动件的往复惯性力，会让曲轴产生周期性变化的振动变形[78]。多缸机体系中，相比较扭转刚度来说，曲轴的当量长度和转动惯量都相对较大，这就会降低曲轴的扭转振动频率，使振动频率容易出现在发动机的正常运转速度范围内，从 而激起共振，这是每一台发动机都不可以避免的振动。
常用以下几种方来控制内燃机曲轴振动振幅：（1）调整轴系的固有频率大小,改变曲轴的转动惯量及长度等参数，就可以调整整个系统的固有频率，从而增加内燃机的运行转速与共振转速的差距，进而改善共振的情况[910]。（2）改变发动机的发火顺序[11]，各缸间的发火次序会影响激励力矩输入轴系的能量，而激励能量的情况又直接影响振幅矢量的大小，因此可以通过改变点火 顺序，达到控制轴系扭转振动的目的。（3）加装减振器[12]，在发动机轴系自由端加装减振器是现在广泛采用的方法。因为前几种方法受到系统条件的限制， 并不容易实现，所以加装减振器是目前最直接有效的减振方法。
1.2 减振器的类型
1.2.1橡胶减振器
橡胶减振器由惯性质量块。壳体和橡胶组成，如图1.1所示。橡胶减振器在目前的柴油机系统中应用的比较多，它的研发历史时间比较久远，种类规格也比较多，可承受的负载范围也最广。这类减振器选择适宜的惯性质量和橡胶的弹性系数来达到减震的作用。它有结构简单、可靠性好、维修方便等优点。但是橡胶的阻尼太小，并且它的物理、力学性能不容易控制，在设计的过程中很难获得满意的弹性参数。这种橡胶减振器的特性类似弹性减震器，散热难，阻尼作用很有限。橡胶的阻尼系数容易受到温度的影响，且容易老化，从而降低减振器的性能。目前主要应用于中小型高速发动机上。
图1.1橡胶减振器
1.2.2硅油减震器
图1.2所示的是一种硅油减振器，它是一种比较具有代表性的阻尼式减振器。它的主要构成是具有较大转动惯量的惯性圆环、壳
第一章 绪论 1
1.1问题的提出 1
1.2 减振器的类型 1
1.2.1橡胶减振器 2
1.2.2硅油减震器 2
1.2.3硅油橡胶减振器 3
1.3 国内外研究现状 4
1.3.1硅油减振器的研究现状 4
1.3.2 硅油减振器设计概述 4
1.4 本课题研究内容 5
第二章 曲轴扭转振动分析方法 6
2.1轴系扭转振动数理模型 6
2.2轴系无阻尼自由振动计算 9
2.3本章小结 10
第三章 硅油减振器的设计与匹配 11
3.1硅油减振器结构 11
3.2硅油减振器匹配计算 11
3.2.1理论计算 11
3.2.2最佳阻尼系数计算 15
3.3硅油减振器的设计步骤 16
3.3.1惯性环直径及转
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2.2轴系无阻尼自由振动计算 9
2.3本章小结 10
第三章 硅油减振器的设计与匹配 11
3.1硅油减振器结构 11
3.2硅油减振器匹配计算 11
3.2.1理论计算 11
3.2.2最佳阻尼系数计算 15
3.3硅油减振器的设计步骤 16
3.3.1惯性环直径及转动惯量 16
3.2.2壳体尺寸及强度 17
3.3.3减振器间隙设计 19
3.3.4减振器材料 19
3.3.5计算硅油粘度 19
3.3.6减振器散热面积 21
3.4某型号柴油机硅油减振器设计算例 22
3.4.1硅油减振器设计计算 22
3.4.1.1柴油机主要参数 22
3.4.1.2当量系统参数及减振器参数确定 22
3.4.2减振器连接螺栓应力校核 23
3.4.2.1减振器与曲轴连接处螺栓校核 23
3.4.2.2 减振器端盖与底座连接螺栓校核 24
3.5 加装减振器后轴系自由振动计算 24
3.6 本章小结 25
第四章 硅油减振器的模型建立及有限元分析 26
4.1硅油减振器三维模型的建立 26
4.1.1 减振器底座模型 26
4.1.2 减振器惯性环模型 26
4.1.3减振器总体安装模型 27
4.2减振器的运动仿真 27
4.3减振器关键零件的有限元分析 28
4.3.1载荷与边界条件 28
4.3.2计算结果 29
4.3.2.1应力分析云图 29
4.3.2.3热力耦合分析结果 30
4.4本章小结 32
第五章 总结与展望 33
5.1总结 33
5.2不足与展望 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1问题的提出
如今社会，车辆和船舶中都采用内燃机做动力源，内燃机的工作状态与这些动力设备的工作性能息息相关。曲轴在内燃机体系中是非常重要的运动部件，曲轴的强度基本上就决定了内燃机的正常工作状态[13]。
曲轴在运转过程中会产生各种振动，扭转振动作为其中的一种,对轴系的性能影响很大，扭转振动幅度过大会对曲轴造成破坏，甚至会使其断裂[45]。因此对于轴系的设计，必须要慎重考虑轴系扭转振动的问题，要尽可能的让振动量减少。
所谓的扭转振动是指发动机轴系在工作时，在干扰力矩的影响下，产生周期性变化的扭转弹性变形运动。假设轴系阻尼为零，即无阻尼自由振动状态，那么曲轴将会一直进行扭转振动。自由振动的频率也称为系统的自振频率[6]。对于给定的轴系，它的自振频率是一个定值。
曲轴作为一个具有惯性质量的弹性系统，柴油机在运行中它的气缸产生的压力的压力和运动件的往复惯性力，会让曲轴产生周期性变化的振动变形[78]。多缸机体系中，相比较扭转刚度来说，曲轴的当量长度和转动惯量都相对较大，这就会降低曲轴的扭转振动频率，使振动频率容易出现在发动机的正常运转速度范围内，从 而激起共振，这是每一台发动机都不可以避免的振动。
常用以下几种方来控制内燃机曲轴振动振幅：（1）调整轴系的固有频率大小,改变曲轴的转动惯量及长度等参数，就可以调整整个系统的固有频率，从而增加内燃机的运行转速与共振转速的差距，进而改善共振的情况[910]。（2）改变发动机的发火顺序[11]，各缸间的发火次序会影响激励力矩输入轴系的能量，而激励能量的情况又直接影响振幅矢量的大小，因此可以通过改变点火 顺序，达到控制轴系扭转振动的目的。（3）加装减振器[12]，在发动机轴系自由端加装减振器是现在广泛采用的方法。因为前几种方法受到系统条件的限制， 并不容易实现，所以加装减振器是目前最直接有效的减振方法。
1.2 减振器的类型
1.2.1橡胶减振器
橡胶减振器由惯性质量块。壳体和橡胶组成，如图1.1所示。橡胶减振器在目前的柴油机系统中应用的比较多，它的研发历史时间比较久远，种类规格也比较多，可承受的负载范围也最广。这类减振器选择适宜的惯性质量和橡胶的弹性系数来达到减震的作用。它有结构简单、可靠性好、维修方便等优点。但是橡胶的阻尼太小，并且它的物理、力学性能不容易控制，在设计的过程中很难获得满意的弹性参数。这种橡胶减振器的特性类似弹性减震器，散热难，阻尼作用很有限。橡胶的阻尼系数容易受到温度的影响，且容易老化，从而降低减振器的性能。目前主要应用于中小型高速发动机上。
图1.1橡胶减振器
1.2.2硅油减震器
图1.2所示的是一种硅油减振器，它是一种比较具有代表性的阻尼式减振器。它的主要构成是具有较大转动惯量的惯性圆环、壳
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