发动机 扭振

发动机在工作过程中，其核心部件曲轴系统会经历复杂的扭转振动现象，简称扭振，这种振动源于气缸内燃气爆发力的周期性变化、往复运动部件的惯性力以及曲轴结构本身的弹性特性，不仅影响发动机的平顺性与寿命，还可能引发零部件疲劳断裂、噪声增大等严重问题，深入理解发动机扭振的机理、影响及控制措施,对保障发动机性能与可靠性具有重要意义。

发动机扭振的产生机理

发动机扭振的本质是曲轴系统在旋转过程中，各截面围绕轴线发生周期性的扭转角位移与弹性变形，当气缸内燃气爆发时，活塞通过连杆推动曲轴，使曲轴瞬间加速；而进气、压缩、排气行程中，气缸内阻力较小，曲轴转速又会下降，这种周期性的转速波动导致曲轴像一根弹性轴一样，在扭转与回弹之间往复运动，形成扭振。

扭振的激励源主要分为两类：一是气缸压力波动，多缸发动机各缸发火间隔时间固定，但每个工作循环中爆发行程与辅助行程的扭矩差异，会在曲轴上形成周期性激励；二是往复惯性力，活塞与连杆大头在高速往复运动中产生的惯性力，其方向周期性变化，也会对曲轴产生扭转激励，四冲程直列四缸发动机的二次往复惯性力（频率为发动机转速的两倍）是主要的激励源之一，容易引发特定转速下的共振。

扭振对发动机的影响

扭振的危害具有隐蔽性和累积性，若未有效控制，会从多个层面影响发动机性能：

零部件疲劳损伤

曲轴、飞轮、传动轴等旋转部件长期承受交变扭振应力，易产生疲劳裂纹，尤其在共振状态下，扭振幅值急剧增大，应力集中部位（如曲轴轴颈油孔、连杆颈圆角）可能发生断裂，导致发动机严重损坏，据统计，曲轴疲劳断裂故障中，约30%与扭振共振直接相关。

噪声与振动恶化

扭振通过曲轴轴承、齿轮啮合等路径传递至机体，引发“扭振噪声”，在中高转速区间尤为明显，扭振还会加剧发动机整体振动，导致驾驶室异响、仪表盘指针抖动，影响乘坐舒适性。

动力输出与传动系统破坏

扭振导致曲轴角速度波动，使发动机输出扭矩不稳定，影响车辆加速性能，对于采用手动变速器的车辆，扭振还可能通过离合器、传动轴传递至车轮，引发变速器齿轮异常磨损、传动轴松旷等问题。

辅助系统故障

现代发动机的配气机构、燃油喷射系统、水泵等辅助部件由曲轴驱动，扭振会导致凸轮轴转速波动，引起气门正时失准、喷油压力不稳定，进而降低燃烧效率，增加油耗与排放。

扭振的测量与分析方法

准确测量扭振是诊断与控制的前提，常用技术包括：

• 应变片法：在曲轴表面粘贴应变片，通过测量应变信号计算扭振角位移，该方法精度高（可达0.01°），但需拆卸曲轴，适合台架试验。
• 角加速度传感器法：在曲轴自由端安装非接触式或接触式角加速度传感器，直接测量角加速度并积分得到角位移，该方法安装便捷，适合实车测试，但易受温度与电磁干扰。
• 扭振分析仪：通过光电编码器或磁电式传感器获取曲轴转速脉冲信号，经频谱分析得到扭振幅值与频率，现代分析仪可实时显示扭振转速特性图，直观识别共振区。

测量后需进行频谱分析，确定扭振的主频率（通常与发动机转速、气缸数相关）与固有频率（曲轴系统的固有频率），当激励频率与固有频率重合时，会发生共振，此时扭振幅值可达正常值的5-10倍，需重点规避。

扭振的控制措施

控制扭振的核心思路是“减小激励、避开共振、增加阻尼”，具体措施包括：

优化曲轴系统设计

• 提高曲轴刚度：适当增大曲轴轴颈直径、缩短轴跨距，或采用空心曲轴结构，提高固有频率，使共振区避开常用转速范围。
• 平衡质量优化：在曲轴上配置平衡重，抵消部分往复惯性力，减小激励扭矩幅值。

安装扭振减振器

减振器是抑制扭振最有效的装置，主要类型及特点如下：

类型	工作原理	优点	缺点	应用场景
橡胶减振器	利用橡胶的弹性变形吸收振动能量	结构简单、成本低	耐温性差（-40℃~80℃）、易老化	中小功率汽油机
硅油减振器	通过硅油的粘性阻尼消耗振动能量	阻尼大、宽频减振	需密封防止泄漏、成本较高	大功率柴油机、高性能汽油机
粘性阻尼减振器	结合弹性元件与粘性阻尼，实现“惯量-阻尼”调谐	减振频带宽、可靠性高	结构复杂、安装精度要求高	乘用车手动变速器（双质量飞轮）

优化发火顺序与曲轴布置

合理设计气缸发火顺序，使各缸激励扭矩相位均匀分布，减小合成激励幅值，直列六缸发动机采用1-5-3-6-2-4的发火顺序，可显著平衡扭矩波动，降低扭振。

使用双质量飞轮

双质量飞轮将传统飞轮分为两部分，通过弹簧-阻尼器连接，能有效隔离发动机与变速器之间的扭振传递，尤其适用于手动挡与自动挡车辆，提升换挡平顺性。

相关问答FAQs

Q1：发动机冷启动时出现“咔嗒”声，怠速后消失，是否与扭振有关？如何判断？
A：可能与扭振相关，冷启动时机油粘度大，曲轴轴承油膜尚未完全形成，扭振幅值增大导致曲轴与轴承间隙碰撞产生异响，可通过以下方法判断：① 检查减振器橡胶是否开裂或老化（失效后减振效果下降）；② 用扭振仪测量怠速下曲轴自由端角位移，若超过0.2°/s，则需更换减振器；③ 检查曲轴轴向间隙，间隙过大会加剧扭振引起的轴向窜动。

Q2：更换发动机减振器时，为何必须严格按照型号匹配？随意更换会有什么后果？
A：减振器的惯量、阻尼参数需与曲轴系统固有频率匹配，随意更换会导致减振效果失效甚至恶化，将小惯量减振器用于大排量发动机，无法覆盖共振区；而大惯量减振器可能增加曲轴负载，导致油耗上升，具体后果包括：① 共振转速落入常用区间，引发零部件早期损坏；② 扭振幅值增大，加剧噪声与振动；③ 减振器自身因过载而损坏，脱落风险增加，必须按厂家型号选用,并确保安装力矩与方向正确。