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柴油发动机硅油减振器原理、作用、特点和结构图解 |
摘要：硅油减振器系统是发动机的关键部件之一，它可提高发动机曲轴的工作可靠性，改善整机性能。硅油减振器的性能和质量对发动机性能起着关键作用。但是很多小型生产厂家往往仅根据理论给出其阻尼等关键参数，即假定减振器发挥最佳阻尼，但是康明斯发电机公司实测后结果表明，这种假定并不准确。只有通过理论计算和柴油机台架测试，给出确定硅油减振器扭振参数(当量惯量、阻尼)的有效方法，能较好地验证柴油机和硅油减振器的扭振参数。
一、扭转减振器的结构
目前在柴油机曲轴系统中广泛应用的是橡胶阻尼式单级扭转减振器，对于单级的减振器（只具有一个惯性质量），已有较为成熟的设计理论与计算方法 。 在柴油发电机曲轴系统中广泛使用的橡胶阻尼式减振器的阻尼值偏小，达不到最 优设计阻尼系数比的要求 。硅油或硅油-橡胶式阻尼减振器 ，可以提供较大的阻 尼而满足设计的最优阻尼，但其制造工艺复杂，成本相对较高。为降低成本，在 柴油发电机的曲轴扭振减振系统中，一般采用橡胶阻尼式减振器。随着轿车发动 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，即多级动力减振器，以提高国产发动机曲轴的寿命和降低发动机的振动和 噪声[8]。
与柴油机曲轴系统的扭转振动相比较，汽油发动机曲轴系统的扭转振动相对较小，因而在柴油发电机的曲轴扭振减振系统中，一般只用橡胶阻尼式扭转减振 器的结构形式。随着柴油发电机的轻量化设计和高功率化，普通的单级扭转减振 器的减振效果已经满足不了高功率、轻量化发动机的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扭转减振器。当今在国外发动机中 应用有较多的复杂结构型式的柴油机曲轴减振器（图 2.5），采用这些具有良 好减振性能的曲轴减振器的新结构，有利于提高发动机曲轴的寿命和降低发动机 的振动和噪声。
1、单级扭转减振器
（1）采用惯性质量同时兼做皮带轮， 因此橡胶件同时承受扭转和径向方向的载荷。
（2）采用惯性质量不作为传动件，橡胶件仅仅承受扭转方向的动载荷 ，其橡胶的疲劳寿命较第一种橡胶的疲劳寿命更容易满足设计要求 。因此，在单级曲轴扭转减振器的设计中，应优先考虑图这种结构形式，如图1所示。
2、多级并联式扭转减振器
（1）两级并联式扭转减振器
轮毅是扭转减振器与发动机曲轴的连接件；钢圈和带轮为紧配合，合成为一个惯性环，与橡胶件组成为一级扭转减振器。摩擦环和为由特氟龙材料制成的部件，因此带轮和轮毅之间可以相互转动。惯性环为另一惯性质量，与橡胶件组成一个阶扭转减振器。橡胶件一侧硫化在轮毅上，另一侧则硫化在惯性质量上。
（2）三级并联式扭转减振器
轮毅为扭转减振器与曲轴的连接件。橡胶件其中一侧与轮毅硫化在一起，另外一侧分别与惯性环、带轮硫化在一起。摩擦环由特氟龙材料制成，因此摩擦环与带轮(兼作惯性环)之间可以相互转动。惯性环与橡胶件、带轮与橡胶件、带轮（兼作惯性环与橡胶件组成三级并联式扭转减振器。
3、多级串联式扭转减振器
轮毅为扭转减振器和曲轴前端的连结件，惯性环和轮毅之间的连接为紧配合，两者组成一惯性质量。橡胶件的一侧与轮毅硫化在一起，另一侧与惯性环硫化在一起。橡胶件的一侧与惯性环硫化在一起，另外一侧与带轮（兼惯性环）硫化在一起。摩擦环是由特氟龙材料制成的钢圈，因此带轮和摩擦环之间可以相互转动。
4、硅油-橡胶复合式扭转减振器
轮毅与发动机的曲轴相连接，橡胶件的两侧分别与轮毅和带轮（兼惯性环）硫化在一起，带轮与橡胶件一起组成一级橡胶阻尼式扭转减振器。惯性环为硅油减振器惯性环，它与的密封腔之间充满硅油，硅油与惯性环组成一级硅油阻尼式扭转减振器。由于橡胶阻尼式扭转减振器（由弹性阻尼元件和惯性元件组成）和硅油阻尼式扭转减振器为并联的型式。因此称之为两级并联硅油-橡胶复合式扭转减振器，结构如图2所示。
5、弯扭复合式减振器
轮毅为减振器与曲轴前端的连接件，轮毅与轮毅之间为紧配合，带轮兼作惯性环，与橡胶件一起组成一个扭转减振器，惯性环与橡胶件组成弯曲减振器。
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图2 硅油橡胶减震器系统剖面图 |
图1 柴油机曲轴单级扭转减振器平面示意图
二、扭转减震器工作原理
硅油减振器降低柴油机扭转振动的一种常用装置，扭振减振器外壳和惯性环做成法兰联接的型式，可直接安装在曲轴自由端，惯性环经过青铜衬套绕毂自由转动，在惯性环和外壳之间很小的间隙中充满粘度很高、稳定性强的硅油。但是在注入硅油进行抽真空处理的过程中，会有空气残留，只要空气量在规定的范围内就毫无影响。结构组成和设计如图3所示。
本文以硅油减振器为例，来介绍其工作原理。
首先，我们需要了解机械震动的概念。对于自由的机械体，它有六个自由度，即三个平动自由度和三个转动自由度。因此，我们可以将机械运动分为震动和转动两种类型。
我们通常所说的机械震动指的是平动，也称为线震动。而减震器的作用是减少扭转震动，也称为扭震。在发动机运行过程中，通过汽油的燃烧产生的爆炸力推动活塞来回运动。然后，曲轴将往复惯性力转化为扭矩，通过传动系统传递出去。与线震动不同，扭震主要是由旋转部件受到交变扭矩引起的波动，通常所说的扭矩是指一段时间内的平均值。
扭震会导致传动系统在齿轮啮合点处磨损、敲击、发动机前端异响等不良后果，严重时甚至会导致曲轴疲劳断裂、螺栓松动、齿轮齿断裂、凸轮轴断裂等严重故障。曲轴系统的固有频率、负载和机力频率接近时，就会产生共振。
为了调节系统的固有频率，使发动机的工作频率远离曲轴系统的固有频率，也就是所谓的调频，曲轴系统通常会安装减震器。常用的减震器包括橡胶减震器和硅油减震器。橡胶减震器由内轮、外轮、橡胶圈三部分组成，它在发动机工作频率范围内的共振频率会吸收扭震能量，通过散热消耗。
硅油减震器的工作原理是利用硅油的粘性和流动性来减缓震动的传递。硅油减震器的结构主要由主体惯性环和碱膜颤套组成。惯性环可以自由旋转，碱膜颤套可以提供摩擦阻尼。
硅油减震器的壳体通过紧固螺栓固定在曲轴前端，与曲轴系统一起运动。当曲轴系统发生扭震时，由于惯性转动，硅油减震器的运动总是滞后于壳体的运动，因此，硅油的粘性阻尼可以消耗震动的能量，产生热量，从而达到减弱曲轴系统扭转震动的目的。
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图3 硅油减扭转减震器设计图 1-环形壳体；2-摩擦环； 3-惯性环； 4-密封垫圈；5-储油槽 |
Ro—减振器惯性环外径，mm；
Ri—减振器惯性环内径，mm；
δ—减振器惯性环与壳体之间的间隙，mm；
L—减振器惯性环厚度，mm；
h—壳体厚度，mm。
减振器的壳体、惯性环可用铸铁、铸钢或锻钢制造，壳体亦可以用钢板制造。所用材料的理化性能应符合康明斯《材料与焊接规范》的有关规定，且其抗拉强度Rm应符合表1的规定。
表1 柴油机扭转减震器材料参数
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钢种
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抗拉强度Rm（N/mm2）
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铸铁
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>200
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铸钢
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>400
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锻钢、钢板
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400~600
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三、扭转减震器的作用与特点
1、减震作用
柴油机运转过程中，外壳随曲轴一起转动，由于惯性环的转动惯量较大，在扭振过程中它比壳体的运动要滞后一些，因此惯性环与外壳之间便存在相对运动，此时，间隙中的硅油的阻尼就会消耗能量，对柴油机的曲轴起到减振作用。
2、降低震动
硅油减震器壳体中心为套入发动机曲轴的通孔，壳体四周与盖板形成一圈空腔，所述空腔内容纳惯性块，轴承带把惯性块与硅油减震器壳体轴向隔开。能有效降低发动机曲轴扭转振动，结构紧凑，减小安装体积，安装方便。
3、降低重量
在惯性块与硅油减震器壳体之间的间隙注有硅油，通过盖板将惯性块、轴承带、硅油密封在硅油减震器壳体内，在硅油减震器壳体两侧焊接有散热片。增加散热片既起到散热作用，又有装饰效果，同时能够降低发动机重量，减少零件数量，降低生产管理成本。
4、减轻扭振
当发动机工作时，减振器壳体与曲轴一起旋转、一起振动，惯性质量则被硅油的粘性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动。由于惯性质量相当大，因此它近似作匀速转动，于是在惯性质量与减振器壳体间相对运动。曲轴的振动能量被硅油的内摩擦阻尼吸收，使扭振消除或减轻。
四、硅油减震器特点及零件图
硅油减震器特点如下：
（1）大质量的飞轮的惯性作用使曲轴的输出端角速度不能突变，因此可以认为曲轴输出端的扭角为0，即飞轮上没有扭转振动，这有利于延长发电机联轴器寿命和减小传动齿轮的磨损及噪音。
（2）曲轴的飞轮端相当于扭振的固定端，曲轴的尾端是扭振的自由端。硅油扭振减震器内部的大质量惯性体因角速度不能突变与曲轴直接连接的外壳通过硅油发生高频率摆动摩擦，硅油的粘性阻尼吸收了扭振能量转换为热量，抑制了共振现象，控制扭角在安全范围以内。
（3）硅油减震器的减震效果靠硅油的粘性和惯性体质量保证。惯性体质量是不变的，但硅油的温度直接影响其粘度大小，温度升高粘度下降。因此保证减震器良好散热，把工作温度控制在减震器设计温度内（环境温度＜工作温度＜80℃之间）才是最佳状态。
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级别
LV |
零件号
Part Number |
图上标号
Ref No |
零件名称Part Name
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数量
Req |
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中文
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英文
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02
02 02 03 03 03 03 |
217322
3203694 MP45209 205059
206881 210028 S608 |
1
6 3 4 2 5 |
硅油减振器
曲轴皮带轮
减振器安装 平垫圈
十二角螺栓 十二角螺栓
弹簧垫圈
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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 |
总结：
总的来说，硅油减震器是一种简单、可靠的减震器，它的工作原理基于硅油的黏性和流动性。虽然它存在一些缺点，但在实际应用中，硅油减震器仍然是一种非常有效的减震器，可以帮助我们减少震动和噪音，提高设备的稳定性和安全性。在硅油减振器的实际生产过程中，惯性环和壳体之间的配合间隙经常出现变化，这个变化范围有可能超出图纸的要求.由于硅油减振器生产成本较高，为了节约成本并能有效指导生产，可从硅油减振器设计和应用方面人手，看间隙变化对硅油减振器的有效惯量、有效阻尼以及对柴油机的扭转振动计算方面的影响，从而减少对硅油减振器的影响。
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