直列四缸柴油機平衡機構(gòu)試驗開發(fā)

許超，王勇，鄭國世，陽芳，謝猛

（東風(fēng)康明斯發(fā)動機有限公司，湖北 襄陽 441004）

直列四缸柴油機平衡機構(gòu)試驗開發(fā)

許超，王勇，鄭國世，陽芳，謝猛

（東風(fēng)康明斯發(fā)動機有限公司，湖北 襄陽 441004）

直列四缸四沖程發(fā)動機由于其自身結(jié)構(gòu)特點，在運轉(zhuǎn)時其二階往復(fù)慣性力不能自身平衡，由此給發(fā)動機帶來較大的振動。因此，根據(jù)OEM的要求，在發(fā)動機上增加雙軸平衡機構(gòu)以降低二階往復(fù)慣性力對發(fā)動機振動的影響。本文介紹了一種雙軸平衡機構(gòu)應(yīng)用于某四升直列四缸四沖程柴油機上的試驗研究成果，研究結(jié)果表明：雙軸平衡機構(gòu)可以有效地降低直列四缸四沖程柴油機的振動；同時，還可以降低匹配的車輛駕駛室內(nèi)振動和噪聲。

直列四缸四沖程發(fā)動機；二階往復(fù)慣性力；雙軸平衡機構(gòu)；振動與噪聲

許超

畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任東風(fēng)康明斯發(fā)動機有限公司NVH工程師，研究方向為柴油機噪聲振動測試技術(shù)開發(fā)等。

根據(jù)汽車制造商（OEM）的需要，一款四升直列四缸四沖程柴油機被要求帶雙軸平衡機構(gòu)，用于改善車輛的振動與噪聲。因此，本文對該款柴油機匹配雙軸平衡機構(gòu)進行了試驗研究。

由于直列四缸四沖程發(fā)動機的固有特點，其二階往復(fù)慣性力不能自身平衡，相對于直列六缸四沖程發(fā)動機來說，振動水平較高。因此，在發(fā)動機上增加雙軸平衡機構(gòu)以降低二階往復(fù)慣性力對發(fā)動機振動的影響。本文介紹了一種雙軸平衡機構(gòu)應(yīng)用于該款四升直列四缸四沖程柴油機上的試驗研究成果，即研究了雙軸平衡機構(gòu)對直列四缸四沖程發(fā)動機二階振動的改善情況以及對發(fā)動機噪聲的降低作用。

1　發(fā)動機往復(fù)慣性力與平衡

1.1發(fā)動機往復(fù)慣性力

根據(jù)內(nèi)燃機動力學(xué)理論可知，活塞往復(fù)式內(nèi)燃機，也就是人們常見的壓燃式柴油機和點燃式汽油機等，都存在往復(fù)慣性力，包括一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力。直列四缸四沖程發(fā)動機的一階往復(fù)慣性力可以自身平衡，而二階往復(fù)慣性力自身不能平衡，而這不能平衡的二階往復(fù)慣性力正是發(fā)動機產(chǎn)生低頻振動的主要原因之一。

往復(fù)式發(fā)動機往復(fù)慣性力計算如下：

式中：λ —曲柄半徑與連桿長度之比

r —曲柄半徑

ω —曲柄角速度（發(fā)動機角轉(zhuǎn)速）

α—曲柄轉(zhuǎn)角

Mj—往復(fù)運動的質(zhì)量，Mj=Mp+M1式中：Mp— 活塞組質(zhì)量，M1—連桿小頭當(dāng)量質(zhì)量

在發(fā)動機工作過程中，活塞每上下運動一個循環(huán)，將使發(fā)動機產(chǎn)生一上一下兩次振動，所以發(fā)動機振動的頻率和其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。在發(fā)動機振動理論中，發(fā)動機的振動常用多個諧波振動來描述，其中振動頻率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同的叫一階振動，振動頻率是發(fā)動機轉(zhuǎn)速2倍的叫二階振動，依次類推，但振動頻率越高，振幅就越小，2階以上振動基本上可以忽略不計。

對于四沖程發(fā)動機來說，曲軸每旋轉(zhuǎn)兩圈即720°完成一次循環(huán)做功。直列四缸四沖程柴油機則對應(yīng)曲軸每旋轉(zhuǎn)180°有一次燃油著火對外做功，其四缸間相位差180°。代入往復(fù)慣性力計算公式（1）中，計算得到直列四缸四沖程柴油機的一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力之和分別為：

由此可見，直列四缸四沖程柴油機的一階往復(fù)慣性力數(shù)值相等，相位相反，4缸之和正好相互抵消平衡；而二階往復(fù)慣性力數(shù)值相等，相位相同，無法自身抵消平衡，并且四缸同時達到最大。因此，對于直列四缸四沖程柴油機來說，二階往復(fù)慣性力成為其振動的最大來源。

1.2二階往復(fù)慣性力的平衡

根據(jù)上述分析可知，二階往復(fù)慣性力是直列四缸四沖程柴油機振動的最大來源。因此想要降低四缸柴油機的振動水平，平衡其二階往復(fù)慣性力成為首要考慮的工作。目前平衡二階往復(fù)慣性力的有效方法是在發(fā)動機上增加雙軸平衡機構(gòu)，從而降低發(fā)動機振動和噪聲水平。雙軸平衡機構(gòu)包括二個平衡軸和傳動齒輪等，平衡軸是一種裝有偏心重塊并隨曲軸同步旋轉(zhuǎn)的軸，利用其偏心重塊所產(chǎn)生的反向振動力，抵消發(fā)動機自身的二階往復(fù)慣性力，使發(fā)動機獲得良好的平衡，從而達到降低發(fā)動機的振動和噪聲的目的。

如圖1所示，一種雙軸平衡機構(gòu)示意圖，根據(jù)1.1發(fā)動機往復(fù)慣性力計算公式可知，直列四缸四沖程柴油機的二階往復(fù)慣性力為：

雙軸平衡機構(gòu)的偏心重塊在柴油機運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生離心力F1和F2。

式中：m1= m2為偏心重塊的質(zhì)量

r1= r2為偏心重塊的運行半徑

在水平方向的離心力合力為：

在垂直方向的離心力合力為：

如果需要雙軸平衡機構(gòu)平衡柴油機的二階往復(fù)慣性力，則只需要∑FII與FZ合大小相等，方向相反即可，也就是說，公式（2）和公式（3）的差值為零即可：

由于λ、r及Mj都是發(fā)動機的特定已知參數(shù)，因此只要確定雙軸平衡機構(gòu)的偏心重塊的m1r1=0.5λrMj即可很好地平衡直列四缸四沖程柴油機的二階往復(fù)慣性力。

根據(jù)上述原理，為本文研究的四升直列四缸四沖程柴油機開發(fā)了一種雙軸平衡機構(gòu)，如圖2所示：

2　發(fā)動機試驗驗證

2.1發(fā)動機測試準備

將雙軸平衡機構(gòu)樣件裝配到四升直列四缸四沖程柴油機樣機上。然后將樣機安裝到發(fā)動機試驗臺架上，同時，在發(fā)動機上安裝測試傳感器，測試位置取具有代表性的氣缸體前端和氣缸體中部，氣缸體作為發(fā)動機的最大質(zhì)量體，不易被其它非發(fā)動機正常振動的干擾源激勵，而氣缸體前端距離測功機較遠，氣缸體中部距離發(fā)動機的重心最近。

2.2發(fā)動機測試結(jié)果

本次研究測試是一種背靠背的測試，即樣機裝配雙軸平衡機構(gòu)測試一次，緊接著樣機不裝配雙軸平衡機構(gòu)再測試一次，目的是看相同位置的不同振動表現(xiàn)。測試工況為發(fā)動機外特性工況，測試轉(zhuǎn)速超過發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm，達到2 600 rpm，對應(yīng)雙軸平衡機構(gòu)轉(zhuǎn)速達到5 200 rpm。發(fā)動機前端測試位置如圖3所示，發(fā)動機中部測試位置如圖4所示。背靠背測試結(jié)果如圖5和圖6所示：

2.3測試結(jié)果分析

從測試結(jié)果看，雙軸平衡機構(gòu)能夠明顯降低發(fā)動機二階垂直振動幅值，且減振幅度隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增大。在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm時，缸體前端垂直方向振幅最大可以降低約76%；缸體中部垂直方向振幅最大可以降低約72%。同時從測試結(jié)果也可以看出，發(fā)動機垂直方向的振動占據(jù)整個發(fā)動機振動的絕大部分。

在發(fā)動機水平振動方向，帶與不帶雙軸平衡機構(gòu)時的發(fā)動機振動差異不明顯，甚至在發(fā)動機氣缸體部位振動水平還有一定的放大；在發(fā)動機軸向振動方向，雙軸平衡機構(gòu)也有一定的減振作用，但效果不明顯。

分析以上測試結(jié)果可知，發(fā)動機活塞上下運動而做功，二階往復(fù)慣性力使得垂直方向上振動占據(jù)主導(dǎo)地位。同時，說明該雙軸平衡機構(gòu)能夠抵消平衡掉大部分活塞等產(chǎn)生的二階往復(fù)慣性力，且水平方向的平衡力與被平衡的二階往復(fù)慣性力未能完全處于同一條直線上，由此產(chǎn)生了沿水平方向的彎矩。

3　整車試驗驗證

3.1試驗車測試準備

將雙軸平衡機構(gòu)樣件裝配到四升直列四缸四沖程柴油機樣機上，然后將樣機安裝到試驗車上。本次研究采用背靠背的測試方法，即樣機裝配雙軸平衡機構(gòu)測試一次，緊接著樣機不裝配雙軸平衡機構(gòu)再測試一次，以便分析雙軸平衡機構(gòu)給試驗車帶來的減振降噪效果。

由于試驗車涉及到發(fā)動機懸置系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)等其他諸多干擾因素，因此振動方面仍舊只比較雙軸平衡機構(gòu)對發(fā)動機二階振動的改善作用。測試點在整車左前懸置的上下位置，在這二個位置分別布置安裝有三向振動加速度傳感器，同時，在試驗車駕駛室內(nèi)的前排和后排座椅上安裝有麥克風(fēng)傳感器，用于測試雙軸平衡機構(gòu)對試驗車駕駛室內(nèi)噪聲的改善作用。測試點如圖7和圖8所示：

3.2試驗車測試結(jié)果

測試工況分為四種：

① 試驗車勻速行駛50km/h，對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速約1 470rpm。振動測試結(jié)果如圖9所示：

② 試驗車勻速行駛80km/h，對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速約1 630 rpm。振動測試結(jié)果如圖10所示：

③ 試驗車勻速行駛100km/h，對應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速約2 000 rpm。振動測試結(jié)果如圖11所示：

④ 試驗車駐車，柴油機加速掃描，掃描轉(zhuǎn)速約970～2 800 rpm。振動測試結(jié)果如圖12所示：

試驗車勻速行駛工況，駕駛室內(nèi)噪聲測試結(jié)果如表1所示：

試驗車駐車，柴油機加速掃描工況，駕駛室內(nèi)噪聲測試結(jié)果如圖13A和13B所示：

3.3測試結(jié)果分析

分析發(fā)動機振動測試結(jié)果可知，試驗車在50km/h、80km/h和100km/h穩(wěn)定車速下運行時，對于79Hz以下的低頻率段，雙軸平衡機構(gòu)對發(fā)動機各方向的振動均有較明顯的改善。隨著頻率的升高，這種改善作用逐漸減弱，在高頻段時基本上只有垂直方向的振動還有較小改善。在試驗車駐車柴油機加速掃描工況，雙軸平衡機構(gòu)對發(fā)動機二階振動在垂直方向有明顯的改善。在軸向和水平振動方向，也有一定的改善作用，這是因為試驗車測試相對發(fā)動機臺架試驗時，發(fā)動機懸置系統(tǒng)更加優(yōu)化，因此雙軸平衡機構(gòu)在水平和軸向方向也有降低振動之功效。

表1　噪聲測試結(jié)果dB（A）

從表1噪聲測試結(jié)果可知，在試驗車勻速行駛工況，駕駛室內(nèi)前排噪聲在車速50km/h和80km/h時改善明顯，約降低1.5～2dB（A）；而100km/h時由于胎噪及風(fēng)噪的影響，雙軸平衡機構(gòu)對噪聲的改善作用未能顯現(xiàn)。在車速50km/h和80km/h時，后排噪聲也有一定降低，但改善幅度不及前排噪聲，這主要是因為該試驗車為前置動力，所以發(fā)動機的噪聲改善在前排表現(xiàn)得更加明顯。

再看圖13可知，試驗車駐車，柴油機加速掃描工況下，雙軸平衡機構(gòu)使駕駛室內(nèi)前排噪聲降低約2.5～6dB（A），平均降低約3.5dB（A）；后排噪聲降低約2.5dB（A）。換句話說，雙軸平衡機構(gòu)可以有效地降低試驗車駕駛室內(nèi)的加速噪聲。

4　結(jié)論

（1） 雙軸平衡機構(gòu)能夠有效地降低四升直列四缸四沖程柴油機的二階往復(fù)慣性力，從而降低柴油機的低頻振動。其垂直二階振動幅值降低約30%～80% 。

（2） 四升直列四缸四沖程柴油機匹配雙軸平衡機構(gòu)后，可以明顯地降低發(fā)動機的輻射噪聲，從而有效地改善匹配的車輛駕駛室內(nèi)噪聲。

［1］周龍保.內(nèi)燃機學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［2］鄭忠法，張奠忠，鄭國世. 直列四缸柴油機二階往復(fù)慣性力平衡機構(gòu)開發(fā)研究［J］. 汽車科技，2003.（5）：6-8.

［3］樊文欣，張保成，張雪東，等. 直列四缸柴油機平衡機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.內(nèi)燃機工程，2007.（3）： 52-54.

專家推薦

劉正白：

一種平衡理論在柴油機得到了成功的應(yīng)用。達到了預(yù)期的效果。文章推理正確，分析清楚。有參考價值。

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