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往复式发动机的曲轴在旋转过程中，由于曲轴销的偏心和机械部件上的平衡重，会产生自激振动。在本文中，我们将使用 TU® 软件的附加产品转子动力学模块和结构力学模块，精确研究转子的响应和轴上平衡重的轨迹。基于仿真结果，工程师可以改进曲轴的设计，以减少振动并优化发动机的性能。
分析往复式发动机的部件
往复式发动机是目前汽车行业的主流发动机，发动机中一个部件的故障可能会导致整个发动机无法正常工作。之前的文章在分析往复式发动机连杆的疲劳时就强调了这一因素。除了通过疲劳分析优化发动机设计、延长其使用寿命外，我们还需要将发动机的其他部件纳入分析范围。
三缸发动机往复连杆疲劳寿命预测。
让我们以发动机的曲轴为例。这个机械部件驱动与其相连的活塞进行往复运动，并将往复运动转换为旋转运动。按照设计，曲柄销（有时称为曲柄轴颈）偏离旋转轴线汽車发动机曲轴平衡，以使两种运动之间的过渡成为可能。但当曲轴旋转时，曲柄销的偏心会产生离心力。为了平衡这些力，人们在曲轴上增加质量或平衡重物。然而，由于曲柄销上的平衡重物的轴向偏移，沿长度会产生不平衡弯矩。因此汽車发动机曲轴平衡，选择平衡质量的位置以尽量减少不平衡弯矩，或平衡转子非常重要。
曲轴销和平衡重的偏心以及它们之间的轴向偏移会导致曲轴在旋转时产生自激振动。对于其他带有旋转部件的机械，情况也是如此。这些振动会影响各个部件以及整个设备系统的安全性和性能。
最新版本的转子动力学模块提供了专门的功能，可以对发动机曲轴进行精确的振动分析。下面，我们将探索案例库中的一个示例，该示例展示了这些功能。
示例模型：曲轴转子动力学分析
我们先来看看模型几何形状。在本例中，我们使用三缸往复式发动机的曲轴。下图显示了曲轴结构，其中飞轮和轴承突出显示。
发动机曲轴的几何形状。
分析假设转子仅受到偏心质量引起的自激振动，忽略活塞对曲柄销的载荷。为了减少高频振动，在转子上施加了材料阻尼。
稳定状态下，曲轴的角速度为3000 rpm。但为了保证起动平稳，一开始以斜坡方式逐渐增加角速度。示例中的斜坡长度保证转子角速度在一转内从0 rpm 线性增加到3000 rpm，之后转子继续以恒定的角速度旋转。
为了精确模拟曲轴轴承组件系统船舶自动化设备维修，我们可以使用实心转子与流体动力轴承多物理场耦合。该耦合包括：
可以使用流体动压轴承接口中的流体动压轴承特征来分析轴承内的薄流体膜。
评估模拟结果
下图显示了曲轴的应力分布。如图所示，靠近飞轮的轴承承受的载荷最大，相应的轴颈中的应力也最大。靠近飞轮的轴承也承受着最高的压力。
曲轴应力和轴承表面的压力分布。
仔细观察可发现，所有四个轴承的轴颈轨道都是稳定的。在稳定状态下，每个轴颈都达到自己的平衡位置。左下图最能说明这一点。右下图分析了第三个轴颈的横向位移分量。结果表明，横向位移在稳定状态下经历阻尼振动并达到平衡值船舶电子与信息设备保养，与上面描述的一致。
左图：轴颈中心轨迹图。右图：第三个轴颈横向位移分量图。
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