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柴油發動機硅油減振器原理、作用、特點和結構圖解 |
摘要：硅油減振器系統是發動機的關鍵部件之一，它可提高發動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量對發動機性能起著關鍵作用。但是很多小型生產廠家往往僅根據理論給出其阻尼等關鍵參數，即假定減振器發揮最佳阻尼，但是康明斯發電機公司實測后結果表明，這種假定并不準確。只有通過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（只具有一個慣性質量），已有較為成熟的設計理論與計算方法 。 在柴油發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 尼而滿足設計的最優阻尼，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。隨著轎車發動 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足不了曲軸系統 扭轉振動控制的要求，目前在一些柴油發電機上已經采用了多級的橡膠阻尼式減 振器，即多級動力減振器，以提高國產發動機曲軸的壽命和降低發動機的振動和 噪聲[8]。
與柴油機曲軸系統的扭轉振動相比較，汽油發動機曲軸系統的扭轉振動相對較小，因而在柴油發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。隨著柴油發電機的輕量化設計和高功率化，普通的單級扭轉減振 器的減振效果已經滿足不了高功率、輕量化發動機的曲軸系統扭轉振動控制的要 求，目前在一些柴油發電機上已經采用了多級扭轉減振器。當今在國外發動機中 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，有利于提高發動機曲軸的壽命和降低發動機 的振動和噪聲。
1、單級扭轉減振器
（1）采用慣性質量同時兼做皮帶輪， 因此橡膠件同時承受扭轉和徑向方向的載荷。
（2）采用慣性質量不作為傳動件，橡膠件僅僅承受扭轉方向的動載荷 ，其橡膠的疲勞壽命較第一種橡膠的疲勞壽命更容易滿足設計要求 。因此，在單級曲軸扭轉減振器的設計中，應優先考慮圖這種結構形式，如圖1所示。
2、多級并聯式扭轉減振器
（1）兩級并聯式扭轉減振器
輪毅是扭轉減振器與發動機曲軸的連接件；鋼圈和帶輪為緊配合，合成為一個慣性環，與橡膠件組成為一級扭轉減振器。摩擦環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。慣性環為另一慣性質量，與橡膠件組成一個階扭轉減振器。橡膠件一側硫化在輪毅上，另一側則硫化在慣性質量上。
（2）三級并聯式扭轉減振器
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、帶輪硫化在一起。摩擦環由特氟龍材料制成，因此摩擦環與帶輪(兼作慣性環)之間可以相互轉動。慣性環與橡膠件、帶輪與橡膠件、帶輪（兼作慣性環與橡膠件組成三級并聯式扭轉減振器。
3、多級串聯式扭轉減振器
輪毅為扭轉減振器和曲軸前端的連結件，慣性環和輪毅之間的連接為緊配合，兩者組成一慣性質量。橡膠件的一側與輪毅硫化在一起，另一側與慣性環硫化在一起。橡膠件的一側與慣性環硫化在一起，另外一側與帶輪（兼慣性環）硫化在一起。摩擦環是由特氟龍材料制成的鋼圈，因此帶輪和摩擦環之間可以相互轉動。
4、硅油-橡膠復合式扭轉減振器
輪毅與發動機的曲軸相連接，橡膠件的兩側分別與輪毅和帶輪（兼慣性環）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。慣性環為硅油減振器慣性環，它與的密封腔之間充滿硅油，硅油與慣性環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的型式。因此稱之為兩級并聯硅油-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，與橡膠件一起組成一個扭轉減振器，慣性環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的一種常用裝置，扭振減振器外殼和慣性環做成法蘭聯接的型式，可直接安裝在曲軸自由端，慣性環經過青銅襯套繞轂自由轉動，在慣性環和外殼之間很小的間隙中充滿粘度很高、穩定性強的硅油。但是在注入硅油進行抽真空處理的過程中，會有空氣殘留，只要空氣量在規定的范圍內就毫無影響。結構組成和設計如圖3所示。
本文以硅油減振器為例，來介紹其工作原理。
首先，我們需要了解機械震動的概念。對于自由的機械體，它有六個自由度，即三個平動自由度和三個轉動自由度。因此，我們可以將機械運動分為震動和轉動兩種類型。
我們通常所說的機械震動指的是平動，也稱為線震動。而減震器的作用是減少扭轉震動，也稱為扭震。在發動機運行過程中，通過汽油的燃燒產生的爆炸力推動活塞來回運動。然后，曲軸將往復慣性力轉化為扭矩，通過傳動系統傳遞出去。與線震動不同，扭震主要是由旋轉部件受到交變扭矩引起的波動，通常所說的扭矩是指一段時間內的平均值。
扭震會導致傳動系統在齒輪嚙合點處磨損、敲擊、發動機前端異響等不良后果，嚴重時甚至會導致曲軸疲勞斷裂、螺栓松動、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，就會產生共振。
為了調節系統的固有頻率，使發動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，它在發動機工作頻率范圍內的共振頻率會吸收扭震能量，通過散熱消耗。
硅油減震器的工作原理是利用硅油的粘性和流動性來減緩震動的傳遞。硅油減震器的結構主要由主體慣性環和堿膜顫套組成。慣性環可以自由旋轉，堿膜顫套可以提供摩擦阻尼。
硅油減震器的殼體通過緊固螺栓固定在曲軸前端，與曲軸系統一起運動。當曲軸系統發生扭震時，由于慣性轉動，硅油減震器的運動總是滯后于殼體的運動，因此，硅油的粘性阻尼可以消耗震動的能量，產生熱量，從而達到減弱曲軸系統扭轉震動的目的。
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圖3 硅油減扭轉減震器設計圖 1-環形殼體；2-摩擦環； 3-慣性環； 4-密封墊圈；5-儲油槽 |
Ro—減振器慣性環外徑，mm；
Ri—減振器慣性環內徑，mm；
δ—減振器慣性環與殼體之間的間隙，mm；
L—減振器慣性環厚度，mm；
h—殼體厚度，mm。
減振器的殼體、慣性環可用鑄鐵、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
1、減震作用
柴油機運轉過程中，外殼隨曲軸一起轉動，由于慣性環的轉動慣量較大，在扭振過程中它比殼體的運動要滯后一些，因此慣性環與外殼之間便存在相對運動，此時，間隙中的硅油的阻尼就會消耗能量，對柴油機的曲軸起到減振作用。
2、降低震動
硅油減震器殼體中心為套入發動機曲軸的通孔，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。能有效降低發動機曲軸扭轉振動，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，同時能夠降低發動機重量，減少零件數量，降低生產管理成本。
4、減輕扭振
當發動機工作時，減振器殼體與曲軸一起旋轉、一起振動，慣性質量則被硅油的粘性摩擦阻尼和襯套的摩擦力所帶動。由于慣性質量相當大，因此它近似作勻速轉動，于是在慣性質量與減振器殼體間相對運動。曲軸的振動能量被硅油的內摩擦阻尼吸收，使扭振消除或減輕。
四、硅油減震器特點及零件圖
硅油減震器特點如下：
（1）大質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，即飛輪上沒有扭轉振動，這有利于延長發電機聯軸器壽命和減小傳動齒輪的磨損及噪音。
（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量慣性體因角速度不能突變與曲軸直接連接的外殼通過硅油發生高頻率擺動摩擦，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內。
（3）硅油減震器的減震效果靠硅油的粘性和慣性體質量保證。慣性體質量是不變的，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（環境溫度＜工作溫度＜80℃之間）才是最佳狀態。
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級別
LV |
零件號
Part Number |
圖上標號
Ref No |
零件名稱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：
總的來說，硅油減震器是一種簡單、可靠的減震器，它的工作原理基于硅油的黏性和流動性。雖然它存在一些缺點，但在實際應用中，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和噪音，提高設備的穩定性和安全性。在硅油減振器的實際生產過程中，慣性環和殼體之間的配合間隙經常出現變化，這個變化范圍有可能超出圖紙的要求.由于硅油減振器生產成本較高，為了節約成本并能有效指導生產，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計算方面的影響，從而減少對硅油減振器的影響。
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