某90°V6柴油機(jī)錯(cuò)拐前后內(nèi)部激勵(lì)載荷分析

山西中北大學(xué) 暴可

某90°V6柴油機(jī)錯(cuò)拐前后內(nèi)部激勵(lì)載荷分析

山西中北大學(xué) 暴可

目前市場上的多缸內(nèi)燃機(jī)以V型結(jié)構(gòu)居多，尤其是V型6缸柴油機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、耐用性好以及較好的燃油經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍用裝甲車和民用重載運(yùn)輸車等。本文針對某常用90°V6柴油機(jī)為研究對象，通過曲軸錯(cuò)拐的方法對柴油機(jī)內(nèi)部激勵(lì)載荷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小內(nèi)燃機(jī)的往復(fù)慣性力矩和傾覆力矩，從而減小內(nèi)燃機(jī)的振動與噪聲。

曲軸錯(cuò)拐；往復(fù)慣性力矩；傾覆力矩

1 錯(cuò)拐前后一次往復(fù)慣性力矩分析

由于90°V6柴油機(jī)內(nèi)部存在不平衡的一次往復(fù)慣性力矩和二次往復(fù)慣性力矩，且存在顛覆量較大的傾覆力矩，如果可以從內(nèi)部抑制這些載荷，將對控制柴油機(jī)的振動與噪聲有良好的作用。如果在柴油機(jī)內(nèi)部加裝平衡裝置，將使整個(gè)傳動系統(tǒng)變得更加復(fù)雜而且需要對柴油機(jī)的集體、下箱進(jìn)行改動，這樣對柴油機(jī)的安裝和尺寸有很大影響，所以此次優(yōu)化采用曲軸錯(cuò)拐的方法來控制柴油機(jī)內(nèi)部激勵(lì)載荷。將同拐曲柄的一側(cè)半曲柄銷逆曲軸回轉(zhuǎn)方向錯(cuò)位30°，這樣90°V6內(nèi)燃機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)120°發(fā)火間隔角均勻發(fā)火。

圖1 普通曲軸（左）與錯(cuò)拐曲軸（右）對比圖

圖2 柴油機(jī)平衡分析簡圖

一次往復(fù)慣性力矩在X、Y軸的投影分別為：

其中m為單缸往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量，R為曲柄半徑，γ為兩排氣缸間夾角，l為缸心距，λ為連桿比，ω為曲軸轉(zhuǎn)角，α為曲軸角速度。

由于兩排氣缸間夾角為90°，所以一次往復(fù)慣性力矩的矢端軌跡為一個(gè)圓，且圓的半徑為

錯(cuò)拐之后一次往復(fù)慣性力矩在X、Y軸的投影為：

可見錯(cuò)拐之后一次往復(fù)慣性力矩的矢端軌跡為一個(gè)橢圓，且橢圓的短軸為

圖3 錯(cuò)拐前后一次往復(fù)慣性力矩對比圖

圖3為錯(cuò)拐前后一次往復(fù)慣性力矩失端軌跡對比，一次往復(fù)慣性力矩在錯(cuò)拐前失端軌跡圓的半徑為5042.1Nm，錯(cuò)拐后軌跡的橢圓短軸為3565.3Nm，長軸為6175.3Nm，一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)平均值為4870.3Nm，比錯(cuò)拐前降低了3.4%。

2 錯(cuò)拐前后二次往復(fù)慣性力矩分析

同理，錯(cuò)拐前二次往復(fù)慣性力矩在X、Y軸投影為：

根據(jù)本文研究對象為90°V6柴油機(jī)，二次往復(fù)慣性力矩合力矩為作用在水平面內(nèi)的三角函數(shù)矢量：

錯(cuò)拐后二次往復(fù)慣性力矩為：

圖4 錯(cuò)拐前后二次往復(fù)慣性力矩將對比圖

圖4為錯(cuò)拐前后二次往復(fù)慣性力矩的對比曲線，錯(cuò)拐前最大峰值為1972Nm，錯(cuò)拐后X、Y軸的最大峰值分別為 985.98Nm、1708.8Nm，錯(cuò)拐后均值為1347.4Nm，下降了31%。

3 錯(cuò)拐前后傾覆力矩分析

其中Pg為缸內(nèi)氣體壓力，Pj為往復(fù)慣性力，Pj=-mRω2(cosα+λcos2α)。90°V6柴油機(jī)是以發(fā)火間隔角為90°和150°相間發(fā)火，所以整機(jī)的傾覆力矩為：

圖5 錯(cuò)拐前整機(jī)傾覆力矩

錯(cuò)拐后此柴油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)120°發(fā)火間隔角的均勻發(fā)火。

圖6 錯(cuò)拐后整機(jī)傾覆力矩

錯(cuò)拐前傾覆力矩最大值為5590.6Nm，錯(cuò)拐后傾覆力矩最大值3684.4Nm，比錯(cuò)拐前下降了34%；錯(cuò)拐前正負(fù)峰值差為 8253.2Nm，錯(cuò)拐后正負(fù)峰值差為4715Nm，比錯(cuò)拐前下降了43%。

4 結(jié)論

90°V6柴油機(jī)在自身內(nèi)部激勵(lì)載荷中，往復(fù)慣性力自身平衡，但是存在不平衡的一次往復(fù)慣性力矩和二次往復(fù)慣性力矩，并且有浮動較大的傾覆力矩。本文針對此類柴油機(jī)錯(cuò)拐前后的數(shù)據(jù)對比，可以看出以上數(shù)據(jù)均有不錯(cuò)的改善，可以知道錯(cuò)拐對比90°V6柴油機(jī)有較好的優(yōu)化效果，可以有效控制內(nèi)燃機(jī)的振動與噪聲。

[1]張保成.內(nèi)燃機(jī)結(jié)果聲輻射分析及控制技術(shù)研究[D].北京理工大學(xué),2005.

[2]張保成,樊文欣,孟祥偉.雙軸平衡機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,26（3）：171-173.

[3]張保成,趙俊生,樊文欣.60°V8發(fā)動機(jī)平衡分析及平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2002,23（2）：20-23.

[4]張保成,趙振峰,蘇鐵熊.柴油機(jī)錯(cuò)拐曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),2003,24（3）：177-180.

[5]樊文欣.V6柴油機(jī)內(nèi)部激勵(lì)載荷抑制技術(shù)研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28（3）：202-207.