由于曲柄銷的偏心和機械零件上的平衡塊，往復(fù)式發(fā)動機的曲軸會在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生自激振動。在本文中，我們將使用“轉(zhuǎn)子動力學模塊”來準確研究轉(zhuǎn)子的響應(yīng)和軸上平衡塊的軌道，“轉(zhuǎn)子動力學模塊”是 COMSOL Multiphysics? 軟件和“結(jié)構(gòu)力學模塊”的附加產(chǎn)品。工程師可以基于仿真結(jié)果，改進曲軸的設(shè)計以減少振動，并優(yōu)化發(fā)動機的性能。

分析往復(fù)式發(fā)動機中的各個部件

往復(fù)式發(fā)動機目前是汽車行業(yè)的主流發(fā)動機。發(fā)動機中的一個零件出現(xiàn)故障就有可能導(dǎo)致整個發(fā)動機無法正常工作。之前的一篇文章在分析往復(fù)式發(fā)動機連桿的疲勞時，曾強調(diào)過這一因素。在通過疲勞分析對發(fā)動機設(shè)計進行優(yōu)化，延長其工作壽命外，我們還需要將其他發(fā)動機零件納入分析中。

對三缸發(fā)動機往復(fù)式連桿的疲勞壽命的預(yù)測。

我們以發(fā)動機的曲軸為例進行討論。這個機械零件帶動與之相連的活塞做往復(fù)運動，并將往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。按照設(shè)計意圖，曲柄銷（有時也被叫做曲軸頸）偏離旋轉(zhuǎn)軸線，使兩種運動之間的轉(zhuǎn)變成為了可能。但當曲軸旋轉(zhuǎn)時，曲柄銷的偏心會產(chǎn)生離心力。為了平衡這些力，人們在曲軸上添加一些質(zhì)量塊或平衡塊。不過，由于曲柄銷上的平衡塊產(chǎn)生軸向偏移，沿長度方向上產(chǎn)生了不平衡的彎矩。所以一定要選好平衡質(zhì)量的位置，才能使不平衡彎矩最小化，或者稱為平衡轉(zhuǎn)子。

曲柄銷和平衡塊的離心率及其之間的軸向偏移，可能會導(dǎo)致曲軸在旋轉(zhuǎn)時經(jīng)受自激振動。其他帶旋轉(zhuǎn)零件的機械也不例外，這些振動會影響單個零件與整個設(shè)備系統(tǒng)的安全性和性能表現(xiàn)。

最新的“轉(zhuǎn)子動力學模塊”提供了專業(yè)功能，方便用戶對發(fā)動機的曲軸進行精確的振動分析。在下文中，我們將探討“案例下載”中一個展示了相關(guān)特征的案例。

模型案例：曲軸的轉(zhuǎn)子動力學分析

我們先看一下模型的幾何結(jié)構(gòu)。在本例中，我們使用了三缸往復(fù)式發(fā)動機中的曲軸。曲軸的結(jié)構(gòu)如下圖所示，圖片高亮標記了飛輪和軸承的位置。

發(fā)動機曲軸的幾何結(jié)構(gòu)。

分析假設(shè)轉(zhuǎn)子只經(jīng)受由偏心塊引起的自激振動，忽略了活塞作用在曲柄銷上的載荷。為了減少高頻振動，給轉(zhuǎn)子施加了材料阻尼。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，曲軸的角速度是 3000 rpm。不過，初始時以斜坡方式逐漸增加角速度，以保證平滑啟動。示例的斜坡長度確保了轉(zhuǎn)子角速度能夠在一周旋轉(zhuǎn)中從 0 rpm線性增加到 3000 rpm，然后轉(zhuǎn)子保持角速度不變繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

為了精確地模擬曲軸-軸承封裝系統(tǒng)，我們可以使用實心轉(zhuǎn)子與液體動壓軸承多物理場耦合。該耦合包含：

實心轉(zhuǎn)子物理場節(jié)點

液體動壓軸承節(jié)點

實心轉(zhuǎn)子軸承耦合多物理場節(jié)點

我們可以使用液體動壓軸承接口中的液體動壓軸頸軸承特征，對軸頸軸承內(nèi)的薄流體膜進行分析。

評估仿真結(jié)果

下圖展示了曲軸的應(yīng)力分布。如繪圖所示，靠近飛輪的位置，軸承經(jīng)受的載荷最大，在相應(yīng)的軸頸中產(chǎn)生的應(yīng)力最大?？拷w輪的軸承同時還會承受最高的壓力。

曲軸的應(yīng)力和軸承表面的壓力分布。

仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，四個軸承的軸承頸軌道都很穩(wěn)定。在穩(wěn)定狀態(tài)下，每個軸頸達到了各自的平衡位置。左下繪圖充分說明了這一點。右下繪圖分析了第三個軸頸的橫向位移分量。結(jié)果表明，橫向位移經(jīng)受了阻尼振動，并且在穩(wěn)定狀態(tài)下達到均衡值，與上文所述一致。

左：繪圖顯示了軸承頸中心的軌跡。右：繪圖展示了第三個軸頸的橫向位移分量。

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