摘要：当发动机工作时，曲轴在周期性变化的转矩作用下，各曲拐之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转振动，简称扭振。对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较大，故曲轴扭振的频率较低，在柴油发电机工作转速范围内容易产生共振，当发动机转矩的变化频率与曲轴扭转的自振频率相同或成整数倍时，就会发生共振。共振时扭转振幅增大，并导致传动机构磨损加剧，发动机功率下降，甚至使曲轴断裂。曲轴作为柴油发电机中主要的运动部件之一，它的强度和可靠性在很大程度上决定着柴油发电机的可靠性。因此，扭转振动是柴油发电机设计过程中必须考虑的重要因素。为了消减曲轴的扭转振动，柴油发电机多在振幅最大的曲轴前端装置扭振减振器。本文围绕扭振减振器的作用及种类、弯曲振动减振器特性的影响、扭弯减振器的理论计算及试验研究及扭转振动的控制方法四个方面，系统阐述动力减振器、阻尼减振器与复合减振器的分类与机理，分析阻尼系数比对振幅放大曲线的影响，介绍康明斯柴油机轴系扭振试验结果与谐次特性，并从频率调整法、减小振能法与装设减振器三个方面归纳扭转振动的控制方法，为柴油发电机曲轴扭振分析与减振设计提供技术参考。
一、扭振减振器的作用及种类
扭转减震器可以降低发动机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，降低传动系扭转振动固有频率，增加传动系的扭转阻尼器，抑制与扭转共振对应的振幅，衰减冲击引起的瞬态扭振，缓解非稳态下传动系的扭转冲击载荷，改善连接的顺畅性。
1. 作用
为了消减曲轴的扭转振动，现在柴油发电机多在扭振振幅最大的曲轴前端装置扭振减振器。
（1）消减曲轴扭转振动。消减曲轴扭转振动，提高曲轴的疲劳寿命，减少应力水平。曲轴在周期性变化的转矩作用下，各曲拐之间发生周期性相对扭转，扭振减振器通过其调频或阻尼作用，将扭振振幅控制在允许范围内，降低曲轴危险截面的交变应力水平。
（2）传递扭矩并衰减扭矩波动。传递扭矩，衰减扭矩波动。扭振减振器在传递发动机输出扭矩的同时，利用其弹性与阻尼特性衰减扭矩的周期性波动，使输出扭矩更加平稳。
（3）减少整机的振动与噪音。减少整机的振动、噪音。曲轴扭振会通过机体、支架传递至整机，引起整机振动与噪声，扭振减振器可有效降低这一传递路径上的振动能量。
（4）改善传动系连接的顺畅性。扭振减振器可缓解非稳态工况下传动系的扭转冲击载荷，改善发动机与传动系之间动力连接的顺畅性，减少换挡或加载过程中的冲击感。
（5）保护传动系零部件。通过降低扭振振幅与扭矩波动，扭振减振器可减轻传动系齿轮、轴承、联轴器等零部件的交变载荷，延长其使用寿命。
2. 分类
（1）动力减振器
① 基本机理。主要依靠它的动力效应改变轴系的自振频率，使之移出工作转速范围，达到避振目的，如弹簧式和摆式动力减振器等。
② 弹簧式动力减振器。弹簧式动力减振器由弹性元件与惯性质量组成，惯性质量通过弹簧连接在曲轴上，其固有频率设计为与曲轴扭振主谐次频率接近，从而在共振区产生反相振动抵消曲轴扭振。
③ 摆式动力减振器。摆式动力减振器利用离心摆原理，惯性摆随曲轴旋转产生周期性摆动，其摆动频率与曲轴转速成正比，可在全转速范围内对特定谐次扭振产生抵消作用。
④ 适用场合。动力减振器适用于对特定谐次扭振控制要求较高的场合，其调频作用显著，但对非调频谐次的减振效果有限。
（2）阻尼减振器
① 基本机理。主要依靠固体的摩擦阻尼或液体的粘性阻尼来吸收干扰力矩输入系统的振动能量，以减小振动，如橡胶减振器和硅油减振器等。
② 橡胶减振器。橡胶减振器由金属惯性环与橡胶层组成，橡胶层既提供弹性又提供阻尼，结构简单、成本低，广泛应用于中小功率发动机。
③ 硅油减振器。硅油减振器由密封壳体与惯性环组成，壳体与惯性环之间充满硅油，利用硅油的粘性剪切阻尼吸收振动能量，耐高温性能好，主要应用于柴油发电机。
④ 适用场合。阻尼减振器适用于对多个谐次扭振均需控制的场合，其阻尼作用可在较宽频率范围内吸收振动能量。
（3）复合减振器
① 基本机理。就是既有调频作用，又有阻尼降幅作用，如硅油橡胶减振器和硅油弹簧减振器。
② 硅油橡胶减振器。硅油橡胶减振器在橡胶减振器基础上增加硅油阻尼，兼具橡胶的弹性调频与硅油的粘性阻尼。
③ 硅油弹簧减振器。硅油弹簧减振器采用弹簧作为弹性元件，硅油作为阻尼介质，调频范围更宽，阻尼效果更好。
④ 适用场合。复合减振器适用于大功率、宽转速范围的柴油发电机，可同时满足调频与阻尼降幅要求。
（4）应用现状
① 橡胶减振器的应用。目前应用最多的就是橡胶减振器和硅油减振器。其中橡胶减振器广泛应用于汽油发动机。
② 硅油减振器的应用。硅油减振器主要应用于柴油发电机。
③ 多级橡胶阻尼式减振器。随着柴油发电机的轻量化和大功率化，单级橡胶阻尼式减振器的减振效果已满足不了曲轴系统扭转振动控制的要求，目前在一些柴油发电机上已经采用了多级的橡胶阻尼式减振器。
④ 拆装注意事项。拆卸安装时都应整体进行，若无必要不要把扭震减震器从皮带轮上拆下来。
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图1 曲轴扭振减振器位置图 |
图2 扭震减震器拆装示意图 |
二、弯曲振动减振器特性的影响
1. 弯曲减振器阻尼系数比的影响
（1）基本假设。假设扭振减振器的参数保持不变，并且弯曲减振器的定调比和惯量比为一定值，则阻尼系数的变化对振幅放大曲线的影响见图4。
（2）无阻尼情况。当γ=0时，弯曲减振器为无阻尼弹性减振器，振幅曲线为三峰曲线。
（3）无穷大阻尼情况。当γ=∞时，相当于将弯曲减振器的惯性体并死在发动机上，此时，系统变为一个单扭振减振器，因此振幅曲线为一双峰曲线。
（4）阻尼变化的影响规律。当γ在0和∞之间取各种不同值时，振幅曲线具有不同的形态，γ由小变大，曲线由三峰变为双峰，直到和γ=∞时的曲线重合。
（5）定点特性。可以看到，任何阻尼的振幅曲线均通过某一定点，而此定点的位置是和阻尼无关的。此定点横坐标的位置可以通过令β γ=0=β γ=∞来确定。
（6）工程意义。弯曲减振器的阻尼系数比对发动机的振幅有很大的影响，设计时应根据曲轴系统的弯曲振动特性选择合适的阻尼系数比，使振幅放大曲线在危险转速范围内保持较低水平。
2. 扭振减振器阻尼系数比的影响
（1）基本假设。假设弯曲减振器的参数保持不变，则扭振减振器的阻尼系数比的变化对振幅放大曲线的影响见图5。
（2）无阻尼与无穷大阻尼情况。同样，当γ=0时，振幅曲线为三峰曲线；γ=∞时，振幅曲线为双峰曲线。
（3）阻尼变化的影响规律。当γ在0和∞之间取值时，曲线的变化趋势和弯曲减振器的影响是一样的。
（4）双定点特性。但是，任何阻尼的曲线却通过两个定点，定点位置同样可以用上述方法来确定。
（5）最佳阻尼的确定。两个定点振幅相等时对应的阻尼即为最佳阻尼，此时振幅放大曲线在两个定点之间达到最低水平，扭振减振效果最佳。
（6）工程意义。扭振减振器的阻尼系数比与弯曲减振器的阻尼系数比共同决定了曲轴系统的扭振特性，设计时应综合考虑两者的影响，通过优化匹配实现最佳的减振效果。
3. 弯曲与扭振减振器的相互影响
（1）参数耦合关系。弯曲减振器与扭振减振器安装在同一个曲轴前端，两者的参数存在耦合关系，弯曲减振器的定调比、惯量比与阻尼系数比会改变扭振减振器的最佳设计条件。
（2）频率对应关系。弯曲振动固有频率和扭振固有频率存在着一种固有的对应关系，即f弯=(0.8～1.1)f扭，因此弯曲减振器设计参数确定后，可据此确定扭振减振器的设计参数范围。
（3）设计顺序。通常先根据曲轴系统的弯曲振动特性确定弯曲减振器的设计参数，再在弯曲减振器参数不变的条件下优化扭振减振器的定调比与阻尼系数比。
（4）验证方法。设计完成后应通过扭振测试验证减振效果，根据测试结果对弯曲减振器与扭振减振器参数进行必要的调整。
三、扭弯减振器的理论计算及试验研究
对于扭-弯减振器，当去掉弯曲减振器后就变成了目前中小功率柴油发电机上常用的扭振橡胶减振器。由于在试验中要定量地改变阻尼参数来考察理论分析的结果是非常困难的，因此在研究中，只是改变了弯曲减振器的橡胶硬度，即在扭振减振器上配置及弯曲减振器。
1. 理论计算
对于装有弯曲减振器的扭-弯减振器的扭振减振效果的最佳设计条件与有阻尼弹性扭振减振器相比发生了改变。因此，对于扭-弯减振器的扭振效果的最佳设计必须充分考虑弯曲减振器的影响。对于扭-弯减振器中弯曲振动减振器的设计，主要是依据发动机曲轴系统的弯曲振动的固有频率来设计弯曲振动减振器的弯曲振动频率，从而使弯曲振动减振器起到一种调频减——对应于弯曲减振器的扭振减振器的最佳定调比(0.24)的曲线簇——对应于弯曲减振器的扭振减振器的最佳定调比(0.16)的曲线簇振的目的。
对于弯曲振动减振器的形式，其弯曲振动固有频率和扭振固有频率存在着一种固有的对应关系，即f弯=(0.8～1.1)f扭。因此在弯曲振动减振器的设计参数确定以后，可假设弯曲减振器参数不变，来考虑扭振的最佳设计问题。在弯曲减振器确定后，扭振减振器的任何阻尼的曲线都通过两个定点。要获得两个定点振幅一样大的设计条件，不但要通过扭振减振器的定调比的改变，而且它是和弯曲减振器的设计参数相关联的。在不同弯曲减振器情况下的扭振减振器最佳定调比的确定。在此最佳设计条件下，才能确定扭振减振器的最佳阻尼系数比。
2. 轴系扭转振动试验分析
柴油机曲轴受到众多激励作用，振动表现形态上从而就呈现多样性。曲轴扭振试验系统如图3所示，测试系统如图4所示。扭振信号通过非接触电磁传感器触发采集，数据采集采用LMS测试系统。通过LMS测试系统虚拟通道进行扭转振动信号的采集和分析，直接进行数据处理分析，可得到各个转速工况下和不同谐次下的扭振特性。
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图3 柴油机曲轴扭转振动测试系统 |
图4 柴油机LMS振动测试计算机系统 |
（1）轴系扭转振动试验结果
康明斯柴油机轴系在工作转速800rpm—2100rpm下扭振特性见图5，反映了其在不同谐次下的扭振特性。
从图5可以看出，在整个转速范围内，1.5谐次下的扭振幅值远远大于其他谐次下的扭振幅值，3谐次、4.5谐次和7.5谐次的扭振幅值也较大。
康明斯发动机在500Hz下的扭振特性见图6。可以看出在500Hz下，看不出其显著的共振特征。
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图5 柴油机曲轴扭振谐次分析瀑布图 |
图6 柴油机曲轴扭振的幅频曲线 |
（2）扭振特性
① 从图7、图8可以同样看出，在整个转速范围内，1.5谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振幅值，3谐次、4.5谐次、1谐次和2谐次的扭振角度也较大。
② 从图7、图8中可以看出，在康明斯发动机工作转速范围内，1.5谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振角度，其最大值为1862rpm下达到0.059°。
③ 从图7、图8中还可以看出，除1.5谐次外，3谐次、4.5谐次、1谐次和2谐次的扭振角度也较大。其中3谐次在2053rpm下扭振角度较大，为0.009°，4.5谐次在2053rpm下扭振角度也较大，为0.0051°。1谐次在1143rpm、2谐次在2071rpm下扭振角度也较大。
由于其主谐次为12、24等谐次，因此在其整个转速范围内，没有明显的共振特性。但是1谐次和2谐次角度较大，是由于其一阶和二阶往复惯性力矩未平衡所致。1.5谐次、3谐次、4.5谐次和7.5谐次是其强谐次，故其扭振幅值或角度较大。
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图7 柴油机曲轴扭振特性曲线1. |
图8 柴油机曲轴扭振特性曲线2 |
（3）轴系在不同工况下扭振试验结果
下面对康明斯发动机在不同负荷下的扭振特性进行对比分析。图9为康明斯发动机分别在全负荷、60%负荷和30%负荷下的扭振瀑布图。可以看到其扭振特性相同。
从图10中可以看出：在康明斯发动机工作转速范围内，1.5谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振角度，其最大值为1862rpm下达到0.059°。
除1.5谐次外，3谐次、4.5谐次、1谐次和2谐次的扭振角度也较大。其中3谐次在2053rpm下扭振角度较大，为0.009°，4.5谐次在2053rpm下扭振角度也较大，为0.0051°。1谐次在1143rpm、2谐次在2071rpm下扭振角度也较大。分析康明斯发动机的扭振特性，由于其主谐次为12、24等谐次，因此在其整个转速范围内，没有明显的共振特性。但是1谐次和2谐次角度较大，是由于其一阶和二阶往复惯性力矩未平衡所致。1.5谐次、3谐次、4.5谐次和7.5谐次是其强谐次，故其扭振幅值或角度较大。
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图9 柴油机曲轴扭振在不同负荷下的瀑布图 |
图10 柴油机曲轴扭振在不同负荷下的对比图 |
四、扭转振动的控制方法
扭转振动的避振预防措施有很多种，可综合归纳为以下三种方法。
1. 频率调整法
由扭转振动特性可知，当激励扭振的作用频率ω与扭转振动系统的某一固有频率ω0相同时，将会发生极其剧烈的动态放大现象，即共振现象。因此要避开发生ω=ω0的可能，也即避开动态放大最严重的工况，就可能免除扭转振动过大所引起的一切后果。本方法的基本概念就是使ω主动躲过ω0。这种方法主要措施有调整惯量法、调整柔度法等。通过调整，使系统本身的自振频率躲过激振频率。使振动应力降至瞬时许用应力范围之内，这样就避免了因扭转振动过大对内燃机造成损害。这种方法是扭转振动预防措施中应用最广的措施之一，这不仅由于它的措施比较简易可行，还在于当达到调频要求以后，它的工作将是有效的与可靠的。但频率调整法有个缺点是调频的幅度较小，以至于在实际应用中受到限制。
2. 减小振能法
激励扭矩是导致扭转振动的动力源。由于激励扭矩输入系统的能量是扭转振动得以维持的源泉，如果能够减小输入系统的振动能量，也就能直接减小扭转振动的量级。方法之一是改变内燃机的发火顺序，当在机器所使用的转速范围内，危险的扭转振动是副临界转速时，有可能用此方法来消减危险的扭转振动，减小其危险程度。方法之二是改变曲柄布置，在多缸内燃机中故意选用非等间隔发火，适当选择曲柄角以改变曲柄布置，可以使任何主、副临界转速中的某些简谐扭振相互抵消而避开危险的扭转振动。方法之三是选择最佳的曲柄与功率输出装置的相对位置，使二者的干扰扭矩互相抵消，可以消减曲轴的扭转振动。
3. 装设减振器
装设减振器能改变轴系的扭振特性。减振器就其特性而言，可分为三大类：动力减振器，主要依靠它的动力效应改变轴系的自振频率，使之移出工作转速范围，达到避振目的，如弹簧式和摆式动力减振器等；阻尼减振器，主要依靠固体的摩擦阻尼或液体的粘性阻尼来吸收干扰力矩输入系统的振动能量，以减小振动，如橡胶减振器和硅油减振器等；复合减振器，就是既有调频作用，又有阻尼降幅作用，如硅油橡胶减振器和硅油弹簧减振器。
总结
对于曲轴的扭振，如果在内燃机工作转速范围内，根据扭振计算以及实测发现内燃机确实存在着较大的扭转振动，就必须采取适当的措施，以便将扭转振动予以回避或者将其消减，以保证柴油机工作的安全可靠。由于往复式柴油机其轴系是弹性系统，在运转中当干扰力矩的频率和轴系的固有频率相同时，即会发生扭转共振。扭转共振的危害极其严重。加装减震器是吸收振动最直接的方法。本文上述内容对减震器的功能、类型、特性及测试方法作了初步说明。
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