发动机—发电机系统轴系机电耦合动力学的探讨彭友辉

发动机—发电机系统轴系机电耦合动力学的探讨彭友辉

彭友辉

（中国重汽集团杭州发动机有限公司浙江杭州311232）

摘要：本文的研究主体为汽车发动机—发电机系统的轴系，从发动机轴系机电耦合的视角出发，研究了汽车发动机一发电机系统的轴系的性能。我们的目标为从机电耦合的视角，根据发电机轴系的受力情况和结构特点，研究轴系机系统的特性。本文所涉及的内容是系统轴系的机电耦合联动力学进行建模，求解，轴系振动机理的分析以及与其相关的研究分析，为今后汽车发动机一发电机系统的故障诊断、应用设计、控制轴系振动噪声提供客观详实的理论依据。

关键字：轴系动力学,机电耦合,建模分析

发动机—发电机系统被普遍运用于工程机械、混合动力车辆、柴油发电机组当中[1],但是，它也有一定的不足之处，它的振动问题影响着机械、车辆、发电机动力装置工作的稳定性和噪声可控的主要因素。随着人们对生活品质的日益关注，对车辆噪声控制和振动强度的要求的越来越高，我们迫切需要对车辆发动机一发电机系统轴系进行动力学研究，并希望以此可为该类装置的优化、设计等提供理论性质的依据。判断回转运动性质的机械动态性能是否良好的重要指标是振动，机械系统如果振动剧烈就会加速系统转机零部件的疲劳破坏和磨耗，造成机械联部件的松动，继而造成系统的振动加剧，过大的机械振动容易导致系统转子损伤变形，甚至导致系统设备不能正常运作。现在提倡的混合动力汽车的发动机它的起停频率较传统的内燃汽车越加频繁，导致发动机的转矩问题以及其传动系统扭转振动更加突出。

一、发电机轴系动力学的研究

我们常用到的发电机的轴系是旋转性轴系，其轴系振动的研究内容主要是轴系的不平衡响应、临界转速、瞬态响应计算以及其稳定性分析等[2]。我们所研究的发电机轴系振动问题归结为强迫振动和自激振动。引起发电机轴系自激振动的主要因素是涡动和油膜热流体的震荡，引起发电机轴系强迫振动的主要成因是转子倾斜、转子失衡、热效应和电磁效应的产生。为了得到发电机轴系系统的振型变化规律、振动频率规律，探明发电机轴系振动的特点和原因，只有对其进行定性分析。

二、机电耦合动力学的研究

机电耦合系统是器械的机械系统和电磁系统以气隙电磁场的关联而构成，系统中的机械过程和电磁过程相互影响、相互作用，电磁能与机械能互相联系互相转换，对器械机电系统振动的振型和固有频率影响显著，因此，我们对发电机轴系进行系统动力学的分析时，进行对轴系系统的机电耦合动力学的研究很有必要。而对研究分析对象建立其系统机电耦合动力模型，是研究分析系统机电耦合效应的根本。

三、发动机一发电机系统轴系动态建模

考虑到发电机的转子机电耦合的关系，我们以发电机转子的横振作为节点位移，同时发电机转子的振动偏心时气隙磁场不均匀的能量变化，对发电机单元进行建模。这样就可以把发电机转轴和发动机曲轴作为一个整体系统的进行机电耦合动力学研究打下基础。

考虑到发动机一发电机系统轴系在实际运行中的特点，采用有限单元法对发动机曲轴单元进行建模，简化了曲轴的力学模型。我们以发电机转子的振动位移作为节点位移，同时发电机转子的振动偏心时气隙磁场不均勾能量变化，对发电机单元进行建模。最后，基于这两个建模，我们实现了运用有限元法对发动机一发电机系统轴系系统的非线性动态建模。

同时我们根据发动机曲轴与气体爆发压力的相互关系，推导出了系统曲柄销节点处的发动机一发电机系统轴系横向振动与气体爆发压力间的耦合关系。

四、发动机一发电机系统轴系建模分析

轴系系统受到的外激振力主要来自于发电机连杆直接作用于的曲柄销，产生的主要激励载荷作用在活塞上产生的气体爆发的压力和连杆活塞组件等部件运动的惯性力，同时系统组件曲柄销不但在系统外力的作用下会存在三维振动的现象，系统气体的往复惯力、燃烧压力等外部激励也会通过曲柄销传递性驱动曲轴使其旋转、循环的工作。与此同时，发动机的曲轴系统中曲柄销的中心产生的位移将使曲轴的气压发生相应变化，可以理解为，发动机系统的曲轴振动和发动机曲轴上的气压力相互影响，相互作用。

我们对发动机一发电机系统的轴系进行非线性耦合的动力学建模，包含了整个系统的参数、结构、电磁参数、气体压力参数等，可以真实反应轴系系统的关键性参数与轴系系统的振动之间的关系，为我们实现进一步的发动机一发电机系统轴系机电耦合动态研究提供客观详实的理论依据，也为今后汽车发动机一发电机系统的故障诊断、应用设计、控制轴系振动噪声提供客观详实的理论依据。

我们的研究对象是发动机一发电机系统轴系，通过研究了解了轴系的振动和其强迫振动互相耦合的原理，为我们实现进一步的发动机一发电机系统轴系所产生的非线性振动性质和其系统的结构参数、电磁参数、气体压力参数间内在联系的深入研究提提供客观详实的理论依据。

我们对轴系系统的建模中，模型系统所产生的阶共振频率未出现在系统工作转速的范围内，模型所产生的扭转波峰很大程度上是试验中弹性联轴节产生的共振频率一致而导致的，但实验所产生扭转的角度不大，对轴系的安全性不存在太大影响。实验中最大的扭转振幅在谐次出现，是由于发动机一发电机系统轴系自身的不平衡导致的。

结语

基于以上建模我们可以的得到以下论点：器械的发动机一发电机系统轴系所产生的一阶扭转固有频率较高，同时轴系系统很少在系统工作转速的范围内发生主要谐次。4缸机的系统振幅曲线变化较大，是由其工作的稳定性不好导致。轴系系统自身的不平衡力矩对低谐次扭振产生深远影响。

参考文献

[1]陈建文,令狐婷,吕良恺.汽车混合动力技术发展现状及前景[J].汽车零部件,2011,8：75-76,80.

[2]张立军,叶荫,余卓平.混合动力汽车用发动机起动振动与噪声特性初步研究[J].汽车技术,2009,3:8-31