缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动影响的试验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.36MB 76 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 发动机减振降噪研究的意义
发动机作为独立工作的动力机械系统或作为车辆、船舶等运动机械的动力装
置，在工程中应用很广泛。工作状态平稳且噪声等级低是优良的发动机的主要标
志之一。
目前世界上绝大多数汽车采用的都是往复活塞式发动机，这种发动机运转时
产生的激振力和力矩主要是曲柄连杆机构的往复惯性力及力矩、旋转惯性力及其
力矩，输出转矩不均匀性引起的倾覆力矩，曲轴和机体弹性变形引起的力矩和工
作过程中的气体脉冲力[1]。这些周期性变化的力和力矩如果得不到平衡，发动机将
产生整机振动和曲轴的扭转振动。发动机产生强烈振动时，不仅使机体本身振动，
而且会激励机内零部件及各种附属装置、车架等振动，从而引起各种冲击振动损
坏，剧烈的振动同时还会激发强大的噪声，这些都会严重地引起驾驶员及乘坐人
员的舒适度，影响汽车行驶的安全性、平顺性和耐久寿命，影响周围的环境。此
外，发动机的振动还对其相关物体的寿命和性能产生很大影响，例如，固定作业
的柴油机振动会缩短基础和建筑物的寿命，再者，振动将消耗发动机的有效能量，
降低其工作效率，同时还可能引起紧固连接件的松动和过载，降低机组的耐久性，
这些影响在共振时后果更为严重，因此，必须采取有效的主动与被动减振、隔振
措施，以消除发动机各种振动，使其不传或少传到车架及外界环境，这样才有利
于提高发动机的使用寿命，有利于提高汽车行驶安全性和乘坐舒适性，有利于降
低由发动机振动所引发的环境噪声。
§1.2 影响发动机振动的客观因素分析
由于内燃机自身结构的复杂性和工作过程的随机性[2]，决定了发动机的振动系
统很复杂。影响发动机振动的因素有多种，除发动机转速、负荷、工作温度、发
动机缸盖螺栓拧紧力矩外，还有以下几方面会影响发动机的振动：
1、燃烧作用力
发动机在做功冲程的终了，由于混合气爆炸产生的对气缸壁的冲击作用，产
生振动，此振动将通过缸壁、水套、发动机壳体等途径传到发动机壳体表面。其
作用频率为发动机曲轴转速的一半，由燃烧力本身所激发的频率须由其本身大小
及传递路径而定。
2、活塞敲击力
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由于活塞在燃烧力及曲柄连杆机构惯性力作用下，活塞从一边向另一边横动
将造成连续冲击作用。当活塞到达上止点时，活塞的侧向力的变化率最大。其作
用频率是与曲柄转速相同的，所激发的频率也是根据作用力大小及传播途径而定。
当由于机械间隙的变化，如连杆轴承间隙、缸壁间隙变化而引起振动加剧时，其
关系是非线性增加的。
3、配气机构的作用力
气门落座时，对气门座的冲击将引起冲击作用力，它所引起的振动与撞击速
度成正比。气门挺杆与套管在油膜厚度为零处可引起摩擦振动。此外，当发动机
高速运转时，气门的复位弹簧还可以引起颤振。
4、正时齿轮的轮齿冲击作用力
这个冲击作用力的产生一方面是由于轮齿间因制造、装配的误差及使用中磨
损造成的齿间间隙，另一方面是由于配气机构和 PT 泵驱动转矩发生变化的结果。
在气门关闭过程以及 PT 泵柱塞压力下，处于凸轮下降边同位时，在向前传动方向
有一扭矩施加在从动齿轮上，使主动齿轮在其驱动齿的齿腹处脱离接触。当发动
机运行到气门开启或喷油器开始喷油时，凸轮轴或油泵的从动齿轮就有延时现象，
在消除齿轮间隙的过程中就会产生轮齿冲击。还有一种原因就是曲轴扭矩作用力
造成的扭振。当扭振角度超过正时齿轮的齿侧间隙所对应的圆心角时，齿轮副脱
离接触，造成冲击。
5、发动机结构本身失衡引起的惯性力
发动机内高速运转的零部件会产生很大的惯性力，造成发动机的剧烈振动。
虽然对于定轴转动的构件(如曲柄)可以通过动平衡方法减小惯性力对轴承产生的
动压力，但对于缸数多、曲轴长的情况，会因旋转惯性力而产生内力矩，使曲轴
产生弯曲，影响发动机振动。而对于非定轴转动的构件，如曲柄连杆机构中活塞
和连杆的运动所产生的惯性力是无法在构件内部得到平衡的，这些惯性力的存在
会使发动机发生摇晃。此外，对于多缸发动机而言，由于结构的差异，各零件制
造尺寸加工误差及材料密度的不均匀性，也会影响整机的振动情况[3]。
惯性力的平衡是发动机设计和制造中的一个关键问题，只有通过精心的设计
和精确的测试手段，才能够把惯性力对发动机振动的影响减至最小。
当发动机结构布置及设计或制造存在缺陷时，有可能存在附加的不平衡力、力
矩，即不平衡激振力，这类力也能引起振动。
6、发动机的装配质量
对于柴油机，喷油泵各缸间供油量不均匀是发动机怠速及高速运转时振动的
主要原因，不均匀度越大，说明喷油泵各缸间相互的供油量差越大，发动机工作
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时越不均衡，产生的振动就越严重。为了控制各缸供油量不均匀度不致过大，除
按规定调整外，还应选用同厂、同期、同一组的偶件。
另外，为了保证发动机曲柄连杆机构的实际平衡接近设计要求，则对曲柄连
杆机构主要运动件的重量分配及主要尺寸规定有严格公差，且在装配前进行检验、
调整或分组选配，以保证装配质量，保证发动机的平衡性。
要从根本上解决发动机的振动问题，首要措施是尽可能减小甚至消除二级往
复惯性力(
tRMP jj
2cos
2
2
，式中λ为曲柄半径与连杆长度之比，Mj为各气缸
往复部分的质量，R为曲柄半径，ω为曲轴旋转角速度)[4]。为此，只有设置二级平
衡机构，但这里涉及的问题很多，目前尚未可行。作为不彻底的解决方法，通过
计算，适当减轻活塞等往复运动部件的质量，可以收到一定的减振效果，但减振
潜力不大。其次在生产过程中严格按照设计要求进行质量管理，特别要严格控制
曲轴、飞轮等旋转部件的不平衡，也有助于改善整机的振动情况。第三，对整机
的动态特征和结构的合理性进行研究，对整机结构进行动态优化设计，如在刚性
较差、振动较严重的部位设置加强筋，也可以收到一定的成效。此外，对燃气压
力波的形成过程进行研究，减缓燃气压力引起的冲击振动，对整机减振也很有益。
§1.3 发动机缸盖螺栓拧紧力矩对机体振动的影响
发动机在使用过程中，由于会产生故障而不断拆装检修，各种机件间的连接
和配合常常不能处于或回复到初期的正常状态。比如发动机缸盖就是这样。维修
人员完成检修后，能否按正常或规定的拧紧力矩完成装配，对发动机的振动和噪
声以及正常使用影响很大。
汽车发动机燃烧室由气缸盖、气缸体和活塞顶三部分组成，气缸盖用螺栓紧
固在机体上。螺栓拧紧连接不仅能增加连接件的刚性、密封性、防松的能力，还
可以提高螺栓的疲劳强度。缸盖螺栓在工作的过程中，受三方面的载荷：保证缸
盖与机体的紧密性所需的预紧力，缸盖受热变形的热载荷，气缸盖传输的气体的
压力[5]。根据实验测试的结果可知，缸盖螺栓所受的预紧力要比热压力大的多[6]。
缸盖螺栓预紧力的大小是根据螺栓的材料、规格、所承受工作载荷的性质以及连
接刚度等具体的条件决定的，不可过大，也不可过小。
当发动机缸盖螺栓预紧力过小时，会使缸盖因为压不紧缸垫而导致从缸垫处
漏气、漏油，并降低了发动机的压缩比，使得发动机的动力性、经济性、工作可
靠性下降。同时，由于缸盖的振动的幅度的变大，导致缸盖与机体的表面产生变
形使密封性变差，加快有关机件的损坏的速度，并且发动机工作时的噪音增大，
加剧了对周围环境的噪音污染。当预紧力过大时，一方面容易使得螺栓产生永久
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的拉伸变形，预紧力反而下降，甚至造成滑扣或折断现象，且缸体螺纹易受损伤，
从而影响缸体与机体的密封性，另一方面因为缸盖、缸垫与机体三部分合为一体，
使得发动机振动情况整体加剧，导致工作性能的不稳定，再者影响发动机的压缩
比，压缩比愈大，在压缩终了时混合气的压力和温度就愈高，燃烧的速度也就愈
快，因而发动机的功率就愈大，经济性就愈好，但是压缩比过大，不仅不能进一
步的解决燃烧的情况，反而会出现爆燃和表面点火等不正常的燃烧现象。爆燃时，
形成的压力冲击波冲击燃烧室壁时会发出尖锐的敲缸声音，同时还会引起发动机
过热、功率下降、油耗增加等一系列不良现象。严重爆燃时甚至会造成气门烧毁，
火花塞绝缘体击穿等机件损坏的现象。表面点火发生时，伴有强烈的敲击声，产
生高压会使机件负载增加，寿命降低。
总的说来，发动机振动主要取决于两个方面：一个方面是设计制造决定的；
另一个方面是使用维修造成的。第一个方面是先天因素，使用过程中难以改变，
只能被动的减小其影响；第二个方面是后天因素，制造过程中难以预料，但可以
在使用过程中主动的加以避免或弱化。
为了确定机体振动的程度，为拟制和改善振动提供依据，必须对上述振动及
其影响因素进行测试分析。
§1.4 振动测试概述
§1.4.1 振动测量的原理与方法
振动测量就是检测振动的变化量，将其转换为与之对应的、便于显示和分析处
理的电信号，并从中提取所需的信息。振动测量的方法一般有机械式测量方法、
电测方法和光测方法三类。其中用得最普遍、技术最成熟的是电测法[7]。电测法通
常采用测振传感器检测振动的位移、速度和加速度信号并转换为电量，然后利用
分析电路或专用仪器来提取振动信号中的强度和频谱信息。
§1.4.2 振动测试的用途
所谓振动，就是物体或某种状态随着时间往复变化的现象。这类现象有的是
由本身固有的原因引起的，有的是外界干扰引起的。振动是自然界最普遍的现象
之一，可以这样说：人类生活在振动的世界里。任何机器、建筑物、桥梁、车辆、
船舶、飞机、卫星等，都处在各种激励的作用下，不可避免的要发生各种各样的
振动。严重的振动将对机器、仪器设备以及人员带来各种危害，概括起来，表现
为下面这些方面[8]：
(1) 强烈而持续的振动会导致结构的疲劳破坏。例如：美国塔柯马大桥因风激
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励引起振动而断损，美国 DC-10 大型客机曾因一枚螺栓疲劳断裂而导致机毁人亡。
(2) 强烈的振动会导致设备的失效。它会使仪器仪表的精度降低，元件损坏，
甚至失效。振动环境对仪器设备的可靠性也造成严重的威胁。
(3) 振动不仅损害人体和机器、仪器，它又是噪声的主要来源。无论是生产机
械、运输机械或工程结构，均日益向高速、高效、高精度和大型化发展。在许多
情况下，限制其振动效应或提高其抗振性能成为成功与否的关键。
另外，在有些情况下，需要利用振动效应，典型的例子如振动传输机、建筑
中常用的振动筛选机、振动搅拌机等[9]。实际应用中，振动测试和设计计算是相辅
相成的两种手段。在设计时，往往要通过模型试验或对已有相近设备的试验来验
证计算方法的可靠性或改进计算方法。在新设备生产出或建成后，则要通过测试
来鉴定其性能，必要时则可直接用试验的方法建立起动力响应模式，进行结构修
改模拟分析，为结构修改提供依据。
一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就会呈现一定形式的输出，该输
入通常称为激励，输出称为响应。而输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振
动系统的振动特性。激励、响应和系统的振动特性这三者之间的关系如图 1.1 所示。
激励 响应
图1.1 振动系统原理框图
在工程技术当中，研究振动问题就是在激励、响应和系统特性这三者中知道其
二求其三的问题。在已知激励条件和系统振动特性的情况下，求系统的响应，这
就是所谓的振动分析问题。在已知系统振动特性和系统响应的情况下，求系统的
激励状态，这就是所谓的振动环境预测问题。在已知系统激励和系统响应的情况
下，确定系统的振动特性，这就是所谓的振动特性测试或系统识别问题[10]。
正是由于振动测试在近代工程领域中有着极重要的地位。所以受到普遍重视。
很多部门和单位在进行实践、探索和研究。振动测试的主要用途为：
(1) 各种工程机械、建筑结构、车辆船舶、飞机导弹、能源设备、仪器仪表等
系统由于在自身运转过程中质量不平衡等原因而产生振动（自振）；或受到周围环
境的激励而产生受迫振动。对于在设计或大批生产的产品进行各种振动实验以考
核产品承受振动能力已成为很多工厂的常规任务。测试了解机器运转时振动大小
以确定其性能优劣已成为验收往复式、旋转式机械的一个重要环节。
(2) 各种利用振动工作的机械，如振动给料机、振动打夯机、振动压路机、振
动筛、振动输送机、动平衡机和各种激振设备因其高效率、低能耗在国民经济各
系统振动特性
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部门得到日益广泛的应用。为了研究其工作机理以提高生产效率，必须进行大量
的振动测试。
(3) 实际系统往往零部件繁多，结合面形状复杂，理论计算（如有限元）要做
大量简化假设，只能建立粗略的力学模型，某些重要参数（如阻尼系数）至今仍
无完善的计算方法。用振动测试可以求得系统的动态特性参数，进而建立或修正
力学模型，为今后的“响应预估”或“环境预估（载荷识别）”创造先决条件。这就是
结构动力学中所谓“系统识别”或“参数识别”问题。
(4) 效益巨大但造价昂贵的现代化大型系统（如海上平台、大型汽轮发电机组、
航天飞机等）经常在高转速、大负荷、高温、高压或高真空等恶劣条件下工作，
它们的破坏会造成严重的后果。国外统计重要产品的故障几乎占百分之六十以上
来自环境因素（包括温度、振动、冲击、沙尘等），而在各环境因素中振动引起的
故障几乎占百分之三十，利用振动测试手段对运行设备进行在线的状态监控或故
障诊断是保证机组安全、及时消除隐患的重要措施之一。
(5) 在一些情况下，振动是一种公害，它能损伤人体器官、损害健康、降低劳
动效率，甚至产生“振动病”或“运动病”，如常见的晕车、晕船现象就是由于小于
1Hz 的极低频振动引起的。研究人体各器官的振动传递特性，设计能减振隔振的
座椅、驾驶舱、手持工具的把手等也必须依赖于振动测试。目前市场上已有用于
人体振动测量的传感器和测试仪出售。
(6) 任何机械振动系统往往同时又是声波辐射源。噪声中很大一部分来自振动
物体。减少振动的同时往往也意味着降低噪声（相反地也可以从噪声分析中找到
振源）。只要有声电传感器（如话筒）和适调放大器，振动分析和声学分析就可以
共用同一分析仪器。
因此，振动测量一直是工程技术界十分重视的课题，振动测试与动态分析在最
近二十多年里发展十分迅速，其主要内容包括三个部分，即振动测量与数据采集，
动态信号分析，以及机械、结构动态特性试验[11]。
§1.5 振动测试分析仪器的发展
振动测试技术从 20 世纪初发展到今天，经几代科学工作者的探索工作，正逐
步地走向完善，而测试分析仪器也在不断地发展成熟。振动测量通常包括振动的
位移、速度、加速度，噪声的声压、声强，以及振动力的测量，这些参数通常成
为动态参数。动态测量是指由传感器测得这些非电物理量并转换为电信号，然后
经过放大、滤波等适调环节，并对测量结果进行记录、分析、显示的全过程。因
此振动测量属于动态的测量范围，如图 1.2 所示。
第一章 绪论
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振动
信号
传感器
信号调理器
数据采集
分析处理
结果显示
图1.2 振动测试框图
随着振动测试技术理论的发展和生产中对测试需求的与日俱增，高质量的测
试仪器、设备和现代化的测试方法不断的出现，从最初的机械式的振动仪，发展
到今天，各种应用物理学原理制成的传感器、机械式的振动仪已经不能满足要求，
于是磁电式的传感器应运而生，实现了非电量信号向电量信号转换的电测量。二
次世界大战后出现了压电式传感器，由于它具有体积小、重量轻、频率范围宽、
动态量程大等特点，且既可测量振动，又可用于冲击测量，直到今天仍在广泛应
用。近些年随着微电子技术的发展，又出现了可以在各种恶劣环境下使用的压电
传感器和内装阻抗变换器、放大器、滤波器的集成电路式压电传感器[12]，简化了
测试系统，大大地拓宽了这种传感器的应用范围，提高了抗干扰能力和测量的精
度。而压阻传感器的出现和使用进一步拓宽了这种传感器的应用范围，与此同时，
还陆续发展了各种换能原理的传感器和配套仪器，如变电容传感器、光纤传感器、
电涡流传感器等，以便用于不同的场合。
测试的核心内容是对信号的分析，主要是频谱分析，最初是以带通滤波器为
核心的模拟式分析仪器，并通过不断改变其分析精度，至今有些仍在应用中。但
由于振动信号的变化快、频率宽，对信号分析的精度和速度的要求不断提高，模
拟式分析仪已经不能满足要求。现代动态信号分析仪的出现改变了这一缺陷，它
采用数字化方式实现谱分析，其核心是离散傅立叶变换（DFT），20 世纪 60 年代
中期美国的库烈（J.W.Cooley）和图基(J.W.Tukey）提出了离散傅立叶变换的快速
算法——快速傅立叶变换（FFT）
[8,9,11,13]，开辟了动态信号分析的新纪元。随着 FFT
算法的提出和应用，以 FFT 硬件为核心的双通道乃至多通道分析仪的广泛应用，
大大提高了分析速度，被广泛的应用于数据处理和振动控制中。最先出现的多是
专用的硬件式数字处理机，具有代表性主要有：日本三荣公司的 7T08S、7T17S、
HP 公司的 HP545IC、HP5423A 等。
目前信号分析技术的发展目标是：在线实时能力的进一步的提高；分辨能力
和精度的提高；专用机结构小型化、性能标准化、价格低廉化；在微机上采用软、
硬件结合的形式构成“虚拟仪器”。近些年来，计算机技术和计算机软件技术迅速的
发展，带动了以计算机和计算机软件技术为核心的虚拟仪器（VI）的发展，虚拟
仪器技术是把计算机技术与仪器技术有机结合起来，通过数据采集板对信号进行
数字离散化采样，再通过数据采集板与计算机的接口传输到计算机上，充分利用
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计算机的资源由软件完成信号的存储、计算分析、结果显示等功能，不同的分析
只需通过不同的分析软件来实现，真正实现一机多用，而不须重复购置多种硬件
设备，由于主要部分是由软件组成，因此，具有开发周期短、投入少而功能又可
随意选择的特点，在近十多年来成为测试领域的热点，被誉为 21 世纪的测试仪器，
成为测试仪器发展的趋势。
§1.6 本课题的主要研究内容
本课题研究重点是发动机缸盖螺栓拧紧力(或力矩)大小对发动机振动的影
响，通过理论分析与实机试验，研究发动机缸盖螺栓拧紧力矩与缸盖振动的定性
和定量关系，并找出使缸盖振动量最小的最佳缸盖螺栓拧紧力（或力矩），为发动
机制造与生产厂家、车辆维修单位提供一定的理论依据和技术指导，提高车辆研
制与使用维修的质量水平。
为了实现上述研究目标，将结合虚拟仪器建立振动测试分析系统以及专用螺
栓试验台，并以虚拟仪器软件平台 LabVIEW 为基础，通过对测试数据的分析处理，
找出发动机缸盖(或试验台)振动幅度最小时对应的螺栓拧紧力矩，并验证发动机缸
盖螺栓拧紧力矩推荐值是否合理。
小结和讨论
本章论述了发动机减振降噪研究的意义，分析了发动机振动的影响因素，阐述
了发动机缸盖螺栓拧紧力矩依据及其对发动机振动的影响，介绍了振动测量的原
理、方法、用途以及振动测试分析仪器的发展，最后提出了本课题的研究内容。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1发动机减振降噪研究的意义发动机作为独立工作的动力机械系统或作为车辆、船舶等运动机械的动力装置，在工程中应用很广泛。工作状态平稳且噪声等级低是优良的发动机的主要标志之一。目前世界上绝大多数汽车采用的都是往复活塞式发动机，这种发动机运转时产生的激振力和力矩主要是曲柄连杆机构的往复惯性力及力矩、旋转惯性力及其力矩，输出转矩不均匀性引起的倾覆力矩，曲轴和机体弹性变形引起的力矩和工作过程中的气体脉冲力[1]。这些周期性变化的力和力矩如果得不到平衡，发动机将产生整机振动和曲轴的扭转振动。发动机产生强烈振动时，不仅使机体本身振动，而且会激励机内零部件及各种附属装置、车架等振动，...

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