直列4缸平衡轴发动机倾覆力矩的优化_聂淑一.pdf

年第期直列缸平衡轴发动机倾覆力矩的优化聂淑一，树向君（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 ）摘要：随着发动机开发技术的不断提升，消费者对车辆的舒适性提出了更高要求，市场上常见的大排量直列缸发动机开发会采用平衡轴来平衡发动机的二阶往复惯性力，改善发动机的振动，提高整车的舒适性。经本文研究发现平衡轴的设计不合理会使发动机倾覆力矩变大，造成发动机的振动加剧，造成驾驶舒适性变差。本文通过矩阵数据对比的形式，采用不同的平衡轴的中心距、曲轴偏置尺寸的研究，找到最佳的平衡轴设计方式，降低发动机倾覆力矩，提高驾驶的舒适性。关键词：平衡轴；倾覆力矩；中心距；曲轴偏置中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，？，：，作者简介：聂淑一（），男，山东省胶州市，汉，中级工程师，本科，主要研究方向：发动机曲柄连杆机构。引言随着汽车行业的高速发展，消费者对汽车性能细节越来越挑剔，除法规对噪声污染要求以降低车辆外部噪声的同时，消费者对车内噪声和振动的关注度也越来越高，噪声和振动会降低乘客的驾驶感受，会导致疲劳和不舒适感，客户对车辆质量的感知与车辆的噪声和振动特性密切相关，这就对发动机开发提出更高的要求，在法规、消费者需求的驱动下，改善发动机 特性成为发动机开发中的重要目标。往复活塞式发动机本身结构决定，曲柄连杆机构在工作时会产生不平衡往复力或往复惯性力矩，导致发动机产生振动，进而影响发动机和整车的性能。正常情况下发动机会通过悬置来抑制包括内部反作用力造成的对动力装置的动态位移、防止来自发动机等处的激振力向车身传递。平衡轴的主要设计目标是平衡曲柄连杆机构的不平衡往复惯性力或往复惯性力矩，同时在工作时不会产生敲击、啸叫或其他异响，噪声水平和摩擦功满足发动机要求。受直列四缸发动机发动机本身的特性决定，发动机的二阶不平衡力仍然存在，一般二阶不平衡力占一阶不平衡力的左右，在低排量、小功率结构中不平衡量较小，靠发动机本身的悬置可实现振动优化；但是随着发动机尺寸变大、功率的增加变大，一般对排量大于升的直列四缸发动机需要增加两个平衡轴减少自身的振动，再依靠发动机的悬置实现振动优化。针对大排量直列缸，我们引入双平衡轴结构，其转速为发动机转速的倍，通过平衡轴旋转产生的离心力在缸孔方向的分量来平衡发动机运转时产生的二阶往复惯性力，达到降低发动机振动，同时平衡轴旋转产生的离心力可以产生一个平衡轴附加力矩，该扭矩就是本文研究的主要课题。通过对平衡轴附加力矩优化来的降低二阶往复惯性力引起的倾覆力矩对发动机悬置产生的激励，且二阶往复惯性力引起的倾覆力矩是很难通过悬置的设计进行隔离，从设计本身来进行降低成为首要目标。本文通过理论分析的手段，通过平衡轴设计过程中不同方案的设计，已达到通过平衡轴附加力矩降低二阶往复惯性力引起的倾覆力矩，从而降低发动机的激励，起到提高发动机的 性能，改善整车舒适性目标。市场上直列缸发动机常见的平衡轴形式有两种：模块式平衡轴和分体式平衡轴。模块化平衡轴：平衡轴与相关的安装壳体、轴承、驱动齿轮等组成，有时还与机油泵等其他零件集成到一起，装配到发动机上（一般安装在下曲轴箱的下方）。图为模块化平衡轴示例，集成了机油泵、平衡轴壳体、平衡轴、不平衡质量块、驱动齿轮等零件。该总成安装在发动机裙架下方。模块化平衡轴方案对发动机框架改动较小，且易实现装配，更易实现发动机装配；但平衡轴位于油底壳中，平衡轴会搅动机油，使得发动机摩擦功加大，并造成机油发泡，对润滑系统不利。分体式平衡轴：平衡轴为单个零件，轴与不平衡质量DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.040内燃机与配件 块集成在一起，安装在机体或下曲轴箱上的孔腔中。每根平衡轴包括轴（含不平衡质量）、轴承保持架（含轴承）、链轮等几部分组成，图为分体式平衡轴示例。分体式平衡轴零件摩擦功较小；但装配复杂，若使用滑动轴承，润滑油路复杂。本文主要分析分体式平衡轴结构，通过多方案对比和矩阵数据对比的形式，基于发动机的曲轴偏置尺寸、平衡轴高度差和平衡轴水平距离的设计，找到合理的平衡轴设计方案，通过调整平衡轴附加力矩来降低二阶往复惯性力引起的倾覆力矩，已达到改善发动机激励的目的，为发动机开发 改进贡献力量。图模块化平衡轴示例图分体式平衡轴示例坐标定义为便于研究，首先建立发动机坐标系，如图某发动机的示意为例。原点：以曲轴中心线与发动机后端面（）的交点为坐标原点；轴：以气缸中心线所在的中心面垂直，指向发动机右侧的方向（从皮带轮端向变速箱端看）；轴：平行与气缸线，指向缸盖；轴：平行于曲轴中心线，指向发动机前端。图某发动机坐标系示意图曲柄连杆机构动力学分析本文分析对象为直列缸平衡轴发动机，涉及发动机零件参数主要包括曲轴（曲拐半径）、活塞总成（往复质量）、连杆总成（往复质量）、平衡轴和平衡 轴（离 心力），如图所示；图平衡轴机构简图（从发动机前端看）本文矩阵分析设计的输入参数主要包含往复质量、二阶往复惯性力、连杆摆角、曲拐半径、曲轴转角、连杆长度、曲轴偏心距、发动机角速度、平衡轴不平衡量力、平衡轴中心距及平衡轴中心距原点点距离；通过输入参数可得到二阶往复惯性力；曲轴摆角；活塞作用在发动机上的侧推力；倾覆力矩力臂；曲轴摆角；二阶往复惯性力引起的倾覆力矩，（下文称倾覆力矩，单位：，以顺时针方向为正）；平衡轴附加力矩（单位：，以顺时针方向为正）；总倾覆力矩（单位：，以顺时针方向为正）。（）（）（）（）（）（）（）（）其中，平衡轴不平衡力；与为分力；为连杆摆角；为曲拐半径；为曲轴转角；为连杆长度；为曲柄连杆比；为曲轴偏心距；为发动机角速度；为平衡轴中心在方向上的高度差；及为平衡轴中心在方向距离点的距离。各变量对总倾覆力矩影响本文以某发动机为例，将平衡轴高度差、曲轴偏置以及平衡轴水平距离作为变量，通过数据矩阵对比的形式，分别来评估对总倾覆力矩的影响。平衡轴高度差对总倾覆力矩影响平衡轴高度差受到发动机的空间限制，在不影响发动机的设计框架情况下，平衡轴高度差一般推荐 。图为曲轴偏置时，平衡轴高度差变化对总倾覆力矩影响。表为曲轴偏置时，在 情况下，平衡轴高度差变化对总倾覆力矩影响。由图和表可见，当平衡轴高度差数值增大时，总倾覆力矩不断减小，以 为例，当平衡轴高度差 年第期从增大到 时，总倾覆力矩可减小。倾覆力矩最大值(MPa)1000150020002500转速(r/min)图等效压力最大值变化图表 下总倾覆力矩变化转速（）总倾覆力矩（）百分比 （非实际值）对比基准 图为曲轴偏置 时，平衡轴高度差变化对总倾覆力矩影响。表为曲轴偏置 时，在 情况下，平衡轴高度差变化对总倾覆力矩影响。倾覆力矩最大值(MPa)1000150020002500转速(r/min)图等效压力最大值变化图由图可见，当平衡轴高度差数值增大时，总倾覆力矩在不断减小，由表的 为例，当平衡轴高度差从增大到 时，总倾覆力矩可减小。表 下总倾覆力矩变化转速（）总倾覆力矩（）百分比 （非实际值）对比基准 当曲轴偏置时，平衡轴水平距离对总倾覆力矩影响设计过程中，希望平衡轴水平距离差来调整发动机的倾覆力矩，但平衡轴水平距离差过大会影响曲轴平衡轴机构的静态 平 衡 特 性，因 此 推 荐 平 衡 轴 水 平 距 离 差 不 超 过 。表为曲轴偏置时，在 情况下，平衡轴水平距离变化对总倾覆力矩影响。由表可见，当平衡轴水平距离时，总倾覆力矩最小。表 下总倾覆力矩变化转速（）总倾覆力矩（）百分比 （非实际值）对比基准 当曲轴偏置时，平衡轴水平差对总倾覆力矩的影响。表可见，当平衡轴水平距离，总倾覆力矩最小。表 下总倾覆力矩变化转速（）总倾覆力矩（）百分比 （非实际值）对比基准 当平衡轴水平距离时，曲轴偏置变化对总倾覆力矩影响。曲轴偏置是在发动机的重要参数不变的情况下，仅改变其曲轴中心的位置，有效做功行程中发动机的侧推力，降低发动机摩擦功，能提高发动机的动力性和经济性。在取得有效的动力性及经济性条件下，曲轴偏置尺寸一般推荐 。表 下总倾覆力矩变化转速（）总倾覆力矩（）百分比 （非实际值）对比基准 由表可见，当曲轴偏置从增大到 时，总倾覆力矩增大。结束语）本文仅针对二阶往复惯性力矩引起的倾覆力矩进行分析，可以作为发动机 优化的设计因子应用于开发中。）通过矩阵对比计算，发现平衡轴中心高度差、平衡轴水平距离、曲轴偏置均对总倾覆力矩有影响，可根据实际发动机参数进行计算调整。）通过上述方案的研究再辅助 计算的方式可有效实现发动机 优化。参考文献：张保成等内燃机动力学北京：国防工业出版社，周龙保内燃机学北京：机械工业出版社，