四缸柴油機(jī)去平衡機(jī)構(gòu)振動(dòng)與噪聲研究

肖華，劉新彥，朱曉天

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

四缸柴油機(jī)去平衡機(jī)構(gòu)振動(dòng)與噪聲研究

肖華，劉新彥，朱曉天

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

對(duì)某直列4缸機(jī)取消平衡機(jī)構(gòu)前后的振動(dòng)和噪聲水平進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)4缸機(jī)平衡分析，改進(jìn)了該4缸機(jī)的曲軸平衡重設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了振動(dòng)、噪聲測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明在沒有平衡機(jī)構(gòu)時(shí)，僅改進(jìn)曲軸平衡重設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲有所下降，在高轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)情況沒有明顯變化，但在中低轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)情況有一定改善。

柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)振動(dòng)噪聲

1 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)柴油機(jī)的要求也越來(lái)越高，除了要求有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性外，振動(dòng)和噪聲水平也成為考評(píng)柴油機(jī)性能的重要方面。由于工作方式不同，柴油機(jī)的振動(dòng)及噪聲情況往往比汽油機(jī)惡劣得多，對(duì)于使用柴油機(jī)的道路用車輛來(lái)說(shuō)，振動(dòng)過(guò)大不僅容易導(dǎo)致零部件失效，而且對(duì)駕駛員的身心健康不利，因此在柴油機(jī)上開展減振降噪工作是很有必要的。

發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀況在很大程度上取決于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的平衡狀況。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的不平衡質(zhì)量在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)中會(huì)引起慣性力、慣性力矩和曲軸的內(nèi)彎矩，這些都是影響發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的因素。在發(fā)火間隔均勻的直列發(fā)動(dòng)機(jī)中，有些發(fā)動(dòng)機(jī)的合成慣性力和慣性力矩均為零，如6缸機(jī)；但也有些發(fā)動(dòng)機(jī)的二階往復(fù)慣性力合力不為零，如4缸發(fā)動(dòng)機(jī)。所以對(duì)于4缸機(jī)來(lái)說(shuō)，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)自身是不平衡的。

為了平衡4缸機(jī)的二階往復(fù)慣性力，通常需要專門增加一個(gè)轉(zhuǎn)向相反的平衡機(jī)構(gòu)，并通過(guò)齒輪傳動(dòng)。但平衡機(jī)構(gòu)的使用一方面會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)成本，另一方面平衡機(jī)構(gòu)自身的可靠性也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要因素。一旦平衡機(jī)構(gòu)上的零部件產(chǎn)生異常磨損，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀況將會(huì)急劇惡化。

本文將以取消平衡機(jī)構(gòu)后的4缸柴油機(jī)為研究對(duì)象，從改進(jìn)曲軸平衡重的角度探討4缸柴油機(jī)的減振降噪方法。

2 四缸柴油機(jī)平衡分析

2.1 慣性力

4沖程4缸機(jī)為了發(fā)火間隔均勻，曲柄夾角應(yīng)為180°，如圖1所示。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力包括旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力二部分[1]。

旋轉(zhuǎn)慣性力的合力在氣缸中心線方向的投影為：

其中，

旋轉(zhuǎn)慣性力的合力在氣缸中心線方向的投影為：

旋轉(zhuǎn)慣性力的合力：

往復(fù)慣性力僅沿氣缸中心線作用，其值為：

式中，

上式中由二部分組成，第一部分為一階往復(fù)慣性力，第二部分為二階往復(fù)慣性力。

一階往復(fù)慣性力合力：

二階往復(fù)慣性力合力：

圖1 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)慣性力

可見在慣性力中，只有二階往復(fù)慣性力未平衡。

2.2 慣性力矩

旋轉(zhuǎn)慣性力矩：

其中，為缸心距。

一階往復(fù)慣性力矩：

二階往復(fù)慣性力矩：

所以，對(duì)于4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，慣性力矩都已平衡。

2.3 內(nèi)彎距

以上慣性力和慣性力矩的計(jì)算，考量的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)外部支撐系統(tǒng)的作用情況，即所謂的“外平衡”。實(shí)際上，發(fā)動(dòng)機(jī)還存在“內(nèi)平衡”的問題。由于曲軸不是絕對(duì)剛體，在力和力矩的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，于是將一部分力或力矩通過(guò)軸承傳到機(jī)體上，使機(jī)體產(chǎn)生振動(dòng)。因此，“內(nèi)平衡”也是評(píng)價(jià)整機(jī)振動(dòng)的重要因素。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部平衡性的計(jì)算和制定，目前一般只考慮離心慣性力在曲軸上形成彎曲力矩的作用情況，并取最大彎矩值作為評(píng)價(jià)“內(nèi)平衡”好壞的依據(jù)。

將曲軸看成一根直梁，則各主軸承處的彎矩分別為：

由于曲軸是關(guān)于第三檔主軸承中心線對(duì)稱布置，故：

3 取消平衡機(jī)構(gòu)對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)和噪聲的影響

為研究取消平衡機(jī)構(gòu)對(duì)4缸柴油機(jī)振動(dòng)和噪聲的影響，對(duì)某4缸柴油機(jī)取消平衡機(jī)構(gòu)前后的振動(dòng)和噪聲水平進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。

3.1 柴油機(jī)參數(shù)及試驗(yàn)設(shè)備

該柴油機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

測(cè)試設(shè)備型號(hào)及制造廠家說(shuō)明：

測(cè)控系統(tǒng)：EIM0400，奕科機(jī)電設(shè)備有限公司；水渦流測(cè)功器：WE42，奕科機(jī)電設(shè)備有限公司；瞬態(tài)油耗測(cè)量?jī)x：FCM05，奕科機(jī)電設(shè)備有限公司；振動(dòng)分析儀：VA-11，日本RION公司；聲級(jí)計(jì)：2236，丹麥Brüel&Kja er公司；傳聲器：4188，丹麥Brüel&Kja er公司；聲級(jí)校準(zhǔn)器：4231，丹麥Brüel&Kja er公司。

3.2 振動(dòng)烈度和噪聲測(cè)試方法

振動(dòng)測(cè)量在發(fā)動(dòng)機(jī)上取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量4個(gè)工況點(diǎn)（外特性）的振動(dòng)速度，如圖2所示，并用當(dāng)量振動(dòng)烈度作為振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：

其中，，，為測(cè)點(diǎn)處沿各方向的振動(dòng)速度。

噪聲測(cè)量在發(fā)動(dòng)機(jī)附近取8個(gè)點(diǎn)測(cè)量標(biāo)定工況點(diǎn)的聲壓，如圖3所示，并用聲功率級(jí)來(lái)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲水平。

圖2 振動(dòng)測(cè)量示意圖

圖3 噪聲測(cè)量示意圖

3.3 原機(jī)測(cè)試結(jié)果

取消平衡機(jī)構(gòu)前后，該發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2的數(shù)據(jù)中可以明顯看出，取消平衡機(jī)構(gòu)后，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)烈度都有很明顯的上升，高轉(zhuǎn)速時(shí)的差異尤為突出。取消平衡機(jī)構(gòu)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定點(diǎn)噪聲也有了一定的上升，但小于117 dB(A)的國(guó)標(biāo)噪聲限值。

表2 取消平衡機(jī)構(gòu)前后發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲測(cè)試結(jié)果

4 改進(jìn)曲軸平衡重對(duì)降低振動(dòng)與噪聲的作用

在曲軸上增加平衡重的目的是平衡旋轉(zhuǎn)離心力及其力矩，同時(shí)降低曲軸承受的內(nèi)彎距，從而減小主軸承的負(fù)荷。

根據(jù)本文第2節(jié)的分析結(jié)果，直列4缸機(jī)未平衡的力和力矩只有二階往復(fù)慣性力和內(nèi)彎矩。取消平衡機(jī)構(gòu)后，二階往復(fù)慣性力無(wú)法平衡，只能通過(guò)減小內(nèi)彎距來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡狀況。

圖4為該發(fā)動(dòng)機(jī)原曲軸的模型，該曲軸在第1、4、5、8曲柄上設(shè)計(jì)有扇形平衡重。根據(jù)公式（12）可算出原來(lái)曲軸承受的最大內(nèi)彎距為1 566 N·m。

圖4 原曲軸三維模型

更改曲軸的平衡重設(shè)計(jì)，在第2、3、6、7曲柄上增加平衡重，對(duì)稱布置8個(gè)平衡重，且將平衡塊的扇形直徑由110 mm增加到112 mm（經(jīng)驗(yàn)算，曲軸與其它零部件留有必要的間隙），同時(shí)將規(guī)則扇形改為不規(guī)則扇形，如圖5（a）所示，如此曲軸質(zhì)量將增加2.245 kg，與原始平衡塊相比，改進(jìn)后的平衡塊質(zhì)心外移約1.3 mm。改進(jìn)后的曲軸模型如圖5（b）所示。

根據(jù)公式（12）可算出更改后的曲軸承受的最大內(nèi)彎距為1 217 N·m，比原曲軸承受的內(nèi)彎距減小了22%。

圖5 改進(jìn)后的曲軸模型

試制一根改進(jìn)后的曲軸，并安裝到同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，在同一試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行振動(dòng)和噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 安裝改進(jìn)曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲測(cè)試結(jié)果

對(duì)比表2和表3的測(cè)試結(jié)果可知，使用改進(jìn)曲軸后的發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲水平介于原機(jī)帶平衡機(jī)構(gòu)和不帶平衡機(jī)構(gòu)之間。不帶平衡機(jī)構(gòu)時(shí)，使用改進(jìn)曲軸與使用原曲軸相比，高轉(zhuǎn)速時(shí)（2 300 r/min，2 000 r/min）振動(dòng)情況改善不是很明顯，但在中低轉(zhuǎn)速時(shí)（1700 r/min，1400 r/min）振動(dòng)烈度有一定程度的改善；相應(yīng)地，標(biāo)定點(diǎn)噪聲也有一定改善。

5 與規(guī)格類似產(chǎn)品的對(duì)比試驗(yàn)

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有一些4缸柴油機(jī)是不帶平衡機(jī)構(gòu)的。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)取消平衡機(jī)構(gòu)后該發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲水平，選取一臺(tái)4缸、4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)作為對(duì)標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)，在同一試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了外特性工況下的振動(dòng)、噪聲測(cè)量。該對(duì)標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表4所示，振動(dòng)、噪聲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

A Study of Vibration and Noise Level of a Four-Cylinder Diesel Engine without Balance Mechanism

Xiao Hua, Liu Xinyan, Zhu Xiaotian
（Shanghai Diesel Engine Co., Ltd., Shanghai 200438, China）

Tests of vibrat ion and noise of a four-cylinder diesel engine with and without balance mechanism have been done. The crankshaft counterweight is improved based on the balance analysis. The noise of the engine with improved crankshaft is decreased, and the vibration doesn't show significant improvement at high speed, but it gets better to a certain extent at mediumand low speed.

diesel engine, balance mechanism, vibration, noise

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.02.004

來(lái)稿日期：2009-12-18

肖華（1981-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。