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柴油發(fā)動(dòng)機硅油減振器原理、作用、特點(diǎn)和結構圖解 |
摘要：硅油減振器系統是發(fā)動(dòng)機的關(guān)鍵部件之一，它可提高發(fā)動(dòng)機曲軸的工作可靠性，改善整機性能。硅油減振器的性能和質(zhì)量對發(fā)動(dòng)機性能起著(zhù)關(guān)鍵作用。但是很多小型生產(chǎn)廠(chǎng)家往往僅根據理論給出其阻尼等關(guān)鍵參數，即假定減振器發(fā)揮最佳阻尼，但是康明斯發(fā)電機公司實(shí)測后結果表明，這種假定并不準確。只有通過(guò)理論計算和柴油機臺架測試，給出確定硅油減振器扭振參數(當量慣量、阻尼)的有效方法，能較好地驗證柴油機和硅油減振器的扭振參數。
一、扭轉減振器的結構
目前在柴油機曲軸系統中廣泛應用的是橡膠阻尼式單級扭轉減振器，對于單級的減振器（只具有一個(gè)慣性質(zhì)量），已有較為成熟的設計理論與計算方法 。 在柴油發(fā)電機曲軸系統中廣泛使用的橡膠阻尼式減振器的阻尼值偏小，達不到最 優(yōu)設計阻尼系數比的要求 。硅油或硅油-橡膠式阻尼減振器 ，可以提供較大的阻 尼而滿(mǎn)足設計的最優(yōu)阻尼，但其制造工藝復雜，成本相對較高。為降低成本，在 柴油發(fā)電機的曲軸扭振減振系統中，一般采用橡膠阻尼式減振器。隨著(zhù)轎車(chē)發(fā)動(dòng) 機的輕量化和大功率化，單級橡膠阻尼式減振器的減振效果已滿(mǎn)足不了曲軸系統 扭轉振動(dòng)控制的要求，目前在一些柴油發(fā)電機上已經(jīng)采用了多級的橡膠阻尼式減 振器，即多級動(dòng)力減振器，以提高國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機曲軸的壽命和降低發(fā)動(dòng)機的振動(dòng)和 噪聲[8]。
與柴油機曲軸系統的扭轉振動(dòng)相比較，汽油發(fā)動(dòng)機曲軸系統的扭轉振動(dòng)相對較小，因而在柴油發(fā)電機的曲軸扭振減振系統中，一般只用橡膠阻尼式扭轉減振 器的結構形式。隨著(zhù)柴油發(fā)電機的輕量化設計和高功率化，普通的單級扭轉減振 器的減振效果已經(jīng)滿(mǎn)足不了高功率、輕量化發(fā)動(dòng)機的曲軸系統扭轉振動(dòng)控制的要 求，目前在一些柴油發(fā)電機上已經(jīng)采用了多級扭轉減振器。當今在國外發(fā)動(dòng)機中 應用有較多的復雜結構型式的柴油機曲軸減振器（圖 2.5），采用這些具有良 好減振性能的曲軸減振器的新結構，有利于提高發(fā)動(dòng)機曲軸的壽命和降低發(fā)動(dòng)機 的振動(dòng)和噪聲。
1、單級扭轉減振器
（1）采用慣性質(zhì)量同時(shí)兼做皮帶輪， 因此橡膠件同時(shí)承受扭轉和徑向方向的載荷。
（2）采用慣性質(zhì)量不作為傳動(dòng)件，橡膠件僅僅承受扭轉方向的動(dòng)載荷 ，其橡膠的疲勞壽命較第一種橡膠的疲勞壽命更容易滿(mǎn)足設計要求 。因此，在單級曲軸扭轉減振器的設計中，應優(yōu)先考慮圖這種結構形式，如圖1所示。
2、多級并聯(lián)式扭轉減振器
（1）兩級并聯(lián)式扭轉減振器
輪毅是扭轉減振器與發(fā)動(dòng)機曲軸的連接件；鋼圈和帶輪為緊配合，合成為一個(gè)慣性環(huán)，與橡膠件組成為一級扭轉減振器。摩擦環(huán)和為由特氟龍材料制成的部件，因此帶輪和輪毅之間可以相互轉動(dòng)。慣性環(huán)為另一慣性質(zhì)量，與橡膠件組成一個(gè)階扭轉減振器。橡膠件一側硫化在輪毅上，另一側則硫化在慣性質(zhì)量上。
（2）三級并聯(lián)式扭轉減振器
輪毅為扭轉減振器與曲軸的連接件。橡膠件其中一側與輪毅硫化在一起，另外一側分別與慣性環(huán)、帶輪硫化在一起。摩擦環(huán)由特氟龍材料制成，因此摩擦環(huán)與帶輪(兼作慣性環(huán))之間可以相互轉動(dòng)。慣性環(huán)與橡膠件、帶輪與橡膠件、帶輪（兼作慣性環(huán)與橡膠件組成三級并聯(lián)式扭轉減振器。
3、多級串聯(lián)式扭轉減振器
輪毅為扭轉減振器和曲軸前端的連結件，慣性環(huán)和輪毅之間的連接為緊配合，兩者組成一慣性質(zhì)量。橡膠件的一側與輪毅硫化在一起，另一側與慣性環(huán)硫化在一起。橡膠件的一側與慣性環(huán)硫化在一起，另外一側與帶輪（兼慣性環(huán)）硫化在一起。摩擦環(huán)是由特氟龍材料制成的鋼圈，因此帶輪和摩擦環(huán)之間可以相互轉動(dòng)。
4、硅油-橡膠復合式扭轉減振器
輪毅與發(fā)動(dòng)機的曲軸相連接，橡膠件的兩側分別與輪毅和帶輪（兼慣性環(huán)）硫化在一起，帶輪與橡膠件一起組成一級橡膠阻尼式扭轉減振器。慣性環(huán)為硅油減振器慣性環(huán)，它與的密封腔之間充滿(mǎn)硅油，硅油與慣性環(huán)組成一級硅油阻尼式扭轉減振器。由于橡膠阻尼式扭轉減振器（由彈性阻尼元件和慣性元件組成）和硅油阻尼式扭轉減振器為并聯(lián)的型式。因此稱(chēng)之為兩級并聯(lián)硅油-橡膠復合式扭轉減振器，結構如圖2所示。
5、彎扭復合式減振器
輪毅為減振器與曲軸前端的連接件，輪毅與輪毅之間為緊配合，帶輪兼作慣性環(huán)，與橡膠件一起組成一個(gè)扭轉減振器，慣性環(huán)與橡膠件組成彎曲減振器。
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圖2 硅油橡膠減震器系統剖面圖 |
圖1 柴油機曲軸單級扭轉減振器平面示意圖
二、扭轉減震器工作原理
硅油減振器降低柴油機扭轉振動(dòng)的一種常用裝置，扭振減振器外殼和慣性環(huán)做成法蘭聯(lián)接的型式，可直接安裝在曲軸自由端，慣性環(huán)經(jīng)過(guò)青銅襯套繞轂自由轉動(dòng)，在慣性環(huán)和外殼之間很小的間隙中充滿(mǎn)粘度很高、穩定性強的硅油。但是在注入硅油進(jìn)行抽真空處理的過(guò)程中，會(huì )有空氣殘留，只要空氣量在規定的范圍內就毫無(wú)影響。結構組成和設計如圖3所示。
本文以硅油減振器為例，來(lái)介紹其工作原理。
首先，我們需要了解機械震動(dòng)的概念。對于自由的機械體，它有六個(gè)自由度，即三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉動(dòng)自由度。因此，我們可以將機械運動(dòng)分為震動(dòng)和轉動(dòng)兩種類(lèi)型。
我們通常所說(shuō)的機械震動(dòng)指的是平動(dòng)，也稱(chēng)為線(xiàn)震動(dòng)。而減震器的作用是減少扭轉震動(dòng)，也稱(chēng)為扭震。在發(fā)動(dòng)機運行過(guò)程中，通過(guò)汽油的燃燒產(chǎn)生的爆炸力推動(dòng)活塞來(lái)回運動(dòng)。然后，曲軸將往復慣性力轉化為扭矩，通過(guò)傳動(dòng)系統傳遞出去。與線(xiàn)震動(dòng)不同，扭震主要是由旋轉部件受到交變扭矩引起的波動(dòng)，通常所說(shuō)的扭矩是指一段時(shí)間內的平均值。
扭震會(huì )導致傳動(dòng)系統在齒輪嚙合點(diǎn)處磨損、敲擊、發(fā)動(dòng)機前端異響等不良后果，嚴重時(shí)甚至會(huì )導致曲軸疲勞斷裂、螺栓松動(dòng)、齒輪齒斷裂、凸輪軸斷裂等嚴重故障。曲軸系統的固有頻率、負載和機力頻率接近時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生共振。
為了調節系統的固有頻率，使發(fā)動(dòng)機的工作頻率遠離曲軸系統的固有頻率，也就是所謂的調頻，曲軸系統通常會(huì )安裝減震器。常用的減震器包括橡膠減震器和硅油減震器。橡膠減震器由內輪、外輪、橡膠圈三部分組成，它在發(fā)動(dòng)機工作頻率范圍內的共振頻率會(huì )吸收扭震能量，通過(guò)散熱消耗。
硅油減震器的工作原理是利用硅油的粘性和流動(dòng)性來(lái)減緩震動(dòng)的傳遞。硅油減震器的結構主要由主體慣性環(huán)和堿膜顫套組成。慣性環(huán)可以自由旋轉，堿膜顫套可以提供摩擦阻尼。
硅油減震器的殼體通過(guò)緊固螺栓固定在曲軸前端，與曲軸系統一起運動(dòng)。當曲軸系統發(fā)生扭震時(shí)，由于慣性轉動(dòng)，硅油減震器的運動(dòng)總是滯后于殼體的運動(dòng)，因此，硅油的粘性阻尼可以消耗震動(dòng)的能量，產(chǎn)生熱量，從而達到減弱曲軸系統扭轉震動(dòng)的目的。
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圖3 硅油減扭轉減震器設計圖 1-環(huán)形殼體；2-摩擦環(huán)； 3-慣性環(huán)； 4-密封墊圈；5-儲油槽 |
Ro—減振器慣性環(huán)外徑，mm；
Ri—減振器慣性環(huán)內徑，mm；
δ—減振器慣性環(huán)與殼體之間的間隙，mm；
L—減振器慣性環(huán)厚度，mm；
h—殼體厚度，mm。
減振器的殼體、慣性環(huán)可用鑄鐵、鑄鋼或鍛鋼制造，殼體亦可以用鋼板制造。所用材料的理化性能應符合康明斯《材料與焊接規范》的有關(guān)規定，且其抗拉強度Rm應符合表1的規定。
表1 柴油機扭轉減震器材料參數
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鋼種
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抗拉強度Rm（N/mm2）
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鑄鐵
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>200
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鑄鋼
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>400
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鍛鋼、鋼板
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400~600
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三、扭轉減震器的作用與特點(diǎn)
1、減震作用
柴油機運轉過(guò)程中，外殼隨曲軸一起轉動(dòng)，由于慣性環(huán)的轉動(dòng)慣量較大，在扭振過(guò)程中它比殼體的運動(dòng)要滯后一些，因此慣性環(huán)與外殼之間便存在相對運動(dòng)，此時(shí)，間隙中的硅油的阻尼就會(huì )消耗能量，對柴油機的曲軸起到減振作用。
2、降低震動(dòng)
硅油減震器殼體中心為套入發(fā)動(dòng)機曲軸的通孔，殼體四周與蓋板形成一圈空腔，所述空腔內容納慣性塊，軸承帶把慣性塊與硅油減震器殼體軸向隔開(kāi)。能有效降低發(fā)動(dòng)機曲軸扭轉振動(dòng)，結構緊湊，減小安裝體積，安裝方便。
3、降低重量
在慣性塊與硅油減震器殼體之間的間隙注有硅油，通過(guò)蓋板將慣性塊、軸承帶、硅油密封在硅油減震器殼體內，在硅油減震器殼體兩側焊接有散熱片。增加散熱片既起到散熱作用，又有裝飾效果，同時(shí)能夠降低發(fā)動(dòng)機重量，減少零件數量，降低生產(chǎn)管理成本。
4、減輕扭振
當發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，減振器殼體與曲軸一起旋轉、一起振動(dòng)，慣性質(zhì)量則被硅油的粘性摩擦阻尼和襯套的摩擦力所帶動(dòng)。由于慣性質(zhì)量相當大，因此它近似作勻速轉動(dòng)，于是在慣性質(zhì)量與減振器殼體間相對運動(dòng)。曲軸的振動(dòng)能量被硅油的內摩擦阻尼吸收，使扭振消除或減輕。
四、硅油減震器特點(diǎn)及零件圖
硅油減震器特點(diǎn)如下：
（1）大質(zhì)量的飛輪的慣性作用使曲軸的輸出端角速度不能突變，因此可以認為曲軸輸出端的扭角為0，即飛輪上沒(méi)有扭轉振動(dòng)，這有利于延長(cháng)發(fā)電機聯(lián)軸器壽命和減小傳動(dòng)齒輪的磨損及噪音。
（2）曲軸的飛輪端相當于扭振的固定端，曲軸的尾端是扭振的自由端。硅油扭振減震器內部的大質(zhì)量慣性體因角速度不能突變與曲軸直接連接的外殼通過(guò)硅油發(fā)生高頻率擺動(dòng)摩擦，硅油的粘性阻尼吸收了扭振能量轉換為熱量，抑制了共振現象，控制扭角在安全范圍以?xún)取?/span>
（3）硅油減震器的減震效果靠硅油的粘性和慣性體質(zhì)量保證。慣性體質(zhì)量是不變的，但硅油的溫度直接影響其粘度大小，溫度升高粘度下降。因此保證減震器良好散熱，把工作溫度控制在減震器設計溫度內（環(huán)境溫度＜工作溫度＜80℃之間）才是最佳狀態(tài)。
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級別
LV |
零件號
Part Number |
圖上標號
Ref No |
零件名稱(chēng)Part Name
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數量
Req |
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中文
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英文
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||||
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02
02 02 03 03 03 03 |
217322
3203694 MP45209 205059
206881 210028 S608 |
1
6 3 4 2 5 |
硅油減振器
曲軸皮帶輪
減振器安裝 平墊圈
十二角螺栓 十二角螺栓
彈簧墊圈
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DAMPER,VIBRATION PULLEY,CRANKSHAFT
DAMPER,VIBRATION MTG WASHER,CYLINDER SCREW,TWELVE POINT SCREW,TWELVE POINT WASHER,LOCK |
2
1 1 6 6 6 6 |
總結：
總的來(lái)說(shuō)，硅油減震器是一種簡(jiǎn)單、可靠的減震器，它的工作原理基于硅油的黏性和流動(dòng)性。雖然它存在一些缺點(diǎn)，但在實(shí)際應用中，硅油減震器仍然是一種非常有效的減震器，可以幫助我們減少震動(dòng)和噪音，提高設備的穩定性和安全性。在硅油減振器的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，慣性環(huán)和殼體之間的配合間隙經(jīng)常出現變化，這個(gè)變化范圍有可能超出圖紙的要求.由于硅油減振器生產(chǎn)成本較高，為了節約成本并能有效指導生產(chǎn)，可從硅油減振器設計和應用方面人手，看間隙變化對硅油減振器的有效慣量、有效阻尼以及對柴油機的扭轉振動(dòng)計算方面的影響，從而減少對硅油減振器的影響。
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