曲轴是内燃机最重要的构件之一,曲轴承受复杂交变的冲击载荷而产生扭转振动。轴系的扭转振动不仅会影响轴系扭转疲劳强度,而且与内燃机许多其它的故障和性能恶化有关。因此,轴系扭转振动已经成为内燃机及其动力装置设计运用必须重视的问题之一。内燃机轴系角振动的模态决定了曲轴的扭转振动特性,对内燃机曲轴角振动进行模态分析不仅能给曲轴动力学分析和优化设计提供理论依据,而且所识别的曲轴角振动模态参数还可用于内燃机工作状态监测、故障诊断以及扭振评价和校核。本文针对目前曲轴角振动模态参数识别中存在的问题,发展了一套内燃机运行状态下曲轴角振动模态参数(固有频率、振型、阻尼比)识别方法,并在此基础上对内燃机轴系阻尼系数的识别、基于曲轴角振动模态特性的内燃机状态监测与故障诊断等问题进行了深入研究。研究工作不仅完善了内燃机曲轴角振动模态参数识别技术,而且丰富了基于曲轴角振动的内燃机故障诊断和状态监测技术。提出了内燃机运行状态下曲轴角振动模态参数的实验识别方法。推导了考虑各角振动模态间相互影响的多缸内燃机任意测点简谐角振动与任意缸简谐力矩的函数关系式；采用正交分量法消除曲轴角振动滚振和其他阶模态的影响,以提高曲轴角振动模态参数的识别精度；提出利用停缸法识别内燃机运行状态下曲轴角振动振型。该方法所得曲轴角振动模态既符合内燃机运行状态下曲轴角振动实际情况,又不需要复杂的试验设备和大量试验工作。同时分析了功率不均衡状况对曲轴角振动振型识别精度的影响及解决方法。根据系统振动能量相等的原理提出了一种利用曲轴角振动模态阻尼比识别内燃机轴系阻尼系数的方法。推导了曲轴角振动模态阻尼比与轴系各阻尼系数之间的关系,并建立了曲轴角振动模态阻尼比与气缸外阻尼系数、弹联阻尼系数以及减振器阻尼系数之间的关系式。在识别轴系阻尼系数时,通过分析内燃机轴系阻尼特性确定对该内燃机起主要作用的阻尼,并选择合适的曲轴角振动振型,即可识别对内燃机起主要作用的阻尼。该方法不需要大量实验,精度较高。针对目前基于曲轴单谐次“准刚体”模型和“准梯形”模型的内燃机故障缸诊断方法的局限,提出了一种基于曲轴角振动振型特性的单缸故障缸矢量诊断方法。即在转速一定时,如果曲轴的某谐次角振动振型在曲轴内无结点,则通过对各缸正常工况和任意单缸故障工况下的测点该谐次角振动位移进行矢量差计算,利用矢量差的相位就可以实现故障缸的准确诊断。该方法不需要建立曲轴简谐角振动诊断动力学模型,也不需要轴系结构参数和先验知识以及大量实验,同时可适用于各缸发火间隔角在曲柄圆内非对称分布的情况。提出一种基于曲轴角振动响应实现在线监测内燃机功率的新方法。推导了内燃机轴系测点的单谐次角振动位移与内燃机功率的关系式；并推导了一定转速下,当内燃机各缸做功均匀,轴系测点的某谐次角振动位移幅值与内燃机功率呈三次多项式关系；通过拟合该转速下轴系测点的该谐次角振动位移幅值随内燃机功率的变化规律曲线,即可利用该谐次角振动位移幅值在线监测内燃机功率。该方法测试简单,无需专用仪器,成本低,能满足工程应用需要。论文对所提出的新方法、公式及推论作了严格的理论推导与证明,并进行了大量的仿真研究和实验验证。论文的研究工作,不仅解决了目前内燃机运行状态下曲轴角振动试验模态识别存在的问题,完善了曲轴角振动模态参数识别技术,并且丰富了内燃机故障诊断和状态监测技术。由此得出的一些具有普遍意义的研究成果还可用于解决其他相关领域的问题。