柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

周海松　喬云　徐信峰

摘 要：柴油機(jī)振動(dòng)是長(zhǎng)期以來對(duì)車輛工作中的具體性能和柴油機(jī)本身產(chǎn)生不利影響的重要因素。在近些年，隨著車身設(shè)計(jì)的不斷輕量化和其動(dòng)力裝置呈現(xiàn)的大功率化等需求的日趨加強(qiáng)，由于柴油機(jī)而導(dǎo)致車輛振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生已經(jīng)越來越普遍，而人們也對(duì)柴油機(jī)具有的性能有著更高的要求，相關(guān)的環(huán)保法規(guī)也對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生的噪音以及振動(dòng)有著更為嚴(yán)格的要求，采取有效的措施對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)進(jìn)行控制，已經(jīng)逐漸的變成對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用和設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵。而對(duì)柴油機(jī)自身的平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，可以使其振源得到有效的控制。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；平衡機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2014）12019002

車體機(jī)身如果長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)生振動(dòng)，則既會(huì)使駕駛員在駕車過程中的疲勞程度不斷增加，還會(huì)使機(jī)體壽命有所降低。例如，如果車體機(jī)身振動(dòng)的非常厲害，其駕駛員的手掌則會(huì)因此而被震得發(fā)腫，甚至駕駛員在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都不能和拖拉機(jī)扶把進(jìn)行接觸。但面對(duì)該種情況，駕駛員務(wù)必不能驚慌并進(jìn)行亂拆亂卸處理，而應(yīng)該以從表面到里層、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜以及與原理相結(jié)合的基本原則，對(duì)柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，可以使其振源得到有效的控制。

1 柴油機(jī)在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)平衡時(shí)的原理

把柴油機(jī)與汽油機(jī)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，其壓縮性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽油機(jī)，可達(dá)到十六到二十二之間，因此，在飛輪、活塞連桿組以及柴油機(jī)曲軸在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，所形成的往復(fù)慣性力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽油機(jī)，而旋轉(zhuǎn)慣性力也要比其大很多。即使柴油機(jī)具有的曲軸按照既定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但活塞連桿組在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的速度也存在著很大的差異，而向上的慣性力要比向下的慣性力大很多，這些因素的存在都對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生很大的影響，使其振動(dòng)的頻率加快。為了將這些慣力有效的得到抵消，使之實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，將所有的柴油機(jī)都對(duì)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)置。平衡機(jī)構(gòu)能夠使柴油機(jī)具有的耐久性得到有效的提升，并使對(duì)機(jī)車進(jìn)行乘坐過程中的舒適程度得到很大的改善，特別是針對(duì)于三缸柴油機(jī)，此效果則更加的明顯。

柴油機(jī)還對(duì)平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行了專門的設(shè)置，甚至有些裝備還安裝了多個(gè)平衡機(jī)構(gòu)。而平衡機(jī)構(gòu)主要通過曲軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的方向正好與曲軸呈反方向，但其轉(zhuǎn)速和曲軸是完全相同的，并不存在差異。柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)工作原理示意圖如圖1所示。

2 平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

往復(fù)活塞式的柴油機(jī)，其內(nèi)部存在的力矩成分與慣性力系的非平衡力是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)引起振動(dòng)的關(guān)鍵激勵(lì)源，不斷的對(duì)相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以抑制和消減慣性力系的非平衡力，使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)有效的降低，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)具備的工作特性得到發(fā)展和改善，其具體的平衡措施如下。

2.1 平衡塊

該機(jī)構(gòu)主要是由安置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端和后端的偏心輪的作用而實(shí)現(xiàn)的。為了使往復(fù)慣性力得到平衡，其偏心輪按照軸轉(zhuǎn)速的兩倍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)曲軸旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行同一方向的旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，其還攜帶有偏心質(zhì)量。選取平衡塊措施，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)外形一直保持在一定的要求范圍中，對(duì)整機(jī)實(shí)現(xiàn)系列化有很大的幫助，而其具有的零部件，還具備著非常高的通用化程度。但此平衡機(jī)構(gòu)在為人們帶來便利的同時(shí)，還存在著些許不足：第一，如果機(jī)體一旦受到大的內(nèi)力矩，就會(huì)使機(jī)體的附加變形程度增大，則就要求機(jī)體具備一定的剛度；第二，選取平衡塊必定會(huì)使齒輪的數(shù)量明顯的增加，而整體的機(jī)械效率也會(huì)很差，從而使機(jī)械所產(chǎn)生的噪聲有所增加；除此之外，還存在著轉(zhuǎn)動(dòng)線速比較高以及軸承載荷比較大等問題。

2.2 單軸

該機(jī)構(gòu)是需要把一根平衡軸設(shè)置到曲線箱中，讓它運(yùn)用兩倍的曲軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)曲軸旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行同一方向的旋轉(zhuǎn)，通過平衡軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過程中形成的離心率來使柴油機(jī)具有的往復(fù)慣性力得到平衡。該機(jī)構(gòu)如果只是往復(fù)慣性力，其原理平衡軸位置需要處在柴油機(jī)的曲軸中心，但是在實(shí)際運(yùn)用的過程中，是不可能出現(xiàn)的。平衡軸一般處于與曲軸中心發(fā)生很大偏離的某位置，貫穿于整個(gè)機(jī)體。而平衡軸是通過多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行支撐的，個(gè)軸承具有的負(fù)荷很小，其所形成的內(nèi)力矩也很小，所產(chǎn)生的附加變形也不是很大，其油道也比較容易布置，整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)也更加的可靠。但此平衡機(jī)構(gòu)在為人們帶來便利的同時(shí)，還存在著些許不足，主要為其具有的相對(duì)質(zhì)量偏大，軸頸的直徑也比較大，還因?yàn)槠胶廨S和曲軸之間存在著一定的偏差距離，將會(huì)形成附加的非平衡力矩。盡管就原理上而言，該力矩能夠有效的使側(cè)傾力矩得到平衡，但是在對(duì)其進(jìn)行實(shí)際布置的過程中，除了會(huì)受到對(duì)V型夾角空間進(jìn)行有效利用的合理性、對(duì)外圍附件布置進(jìn)行有效利用的合理性和對(duì)連桿運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行有效利用的合理性等限制以外，其自身具備的附加力矩量值依舊對(duì)平衡軸位置的任意布置有著更高的要求，從而避免出現(xiàn)柴油機(jī)下的曲軸箱具有的寬度與高度的不斷加大，所以該平衡機(jī)構(gòu)在進(jìn)行使用的過程中，會(huì)在一定程度上被總體布置所限制，尤其是針對(duì)具有高、緊、湊等特征的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，則顯得更加的明顯。總而言之，該平衡機(jī)構(gòu)所具有的緊湊性是非常差的，其自身具備的軸承負(fù)荷也非常大，非常容易導(dǎo)致出現(xiàn)故障，而其在進(jìn)行運(yùn)用過程中的靈活性也很小，還嚴(yán)重的缺失柴油機(jī)的動(dòng)力輸出頭，很難對(duì)該機(jī)構(gòu)機(jī)型所具備的的一致性進(jìn)行保證。

2.3 雙軸

在選取該機(jī)構(gòu)的時(shí)候需要建立在平衡塊機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)之上的，通過框架式軸承體，把平衡軸偏心軸安裝在柴油機(jī)的縱向?qū)ΨQ面呈現(xiàn)鏡面的兩側(cè)對(duì)稱位置，讓它運(yùn)用兩倍的曲軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)曲軸旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行同一方向的旋轉(zhuǎn)，通過平衡軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過程中形成的離心率來使柴油機(jī)具有的往復(fù)慣性力得到平衡。一旦把此機(jī)構(gòu)放置在類似于十二缸柴油機(jī)的鋁合金機(jī)體上，則該機(jī)體具有變化較大、難以進(jìn)行加工制造和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜等弊端。而選取框架式軸承體能夠順利的把存在的弊端和問題解決，柴油機(jī)的附件在進(jìn)行布置的過程中可以維持原樣，且與平衡塊進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，機(jī)體變形的程度也要小很多，但此平衡機(jī)構(gòu)在為人們帶來便利的同時(shí)，還存在著些許不足，其主要為整體的質(zhì)量和整機(jī)的高度有增加的趨勢(shì)。

該機(jī)構(gòu)在很大程度上把單軸機(jī)構(gòu)存在的不足進(jìn)行了克服，其平衡軸所在的位置也很容易對(duì)其進(jìn)行布置，還可以對(duì)初始的安裝角度進(jìn)行合理的選擇，并對(duì)平衡軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過程中形成的離心率以及附加力矩值進(jìn)行有效的調(diào)整，以此使平衡率對(duì)往復(fù)慣性力的要求相符合，并使側(cè)傾力矩被徹底的抵消，從而使對(duì)內(nèi)部激振力進(jìn)行抑制的基本目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，柴油機(jī)也得到了廣泛的發(fā)展。由于受到各種主客觀因素的影響，在發(fā)展的過程中就必定會(huì)存在著很多的問題，柴油機(jī)振動(dòng)是長(zhǎng)期以來對(duì)車輛工作中的具體性能和柴油機(jī)本身產(chǎn)生不利影響的重要因素。但是隨著科學(xué)技術(shù)的日趨發(fā)展，不斷的涌現(xiàn)出了大量對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的手段和措施，而對(duì)柴油機(jī)自身的平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，可以使其振源得到有效的控制，并使機(jī)車的使用壽命得到提高。

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