2.0L 增壓直噴發(fā)動機平衡軸研究

王泰晟 覃海峰 莫家駒

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心 廣西 柳州 545007）

引言

隨著科技進步及人們生活水平的提高，人們對汽車的舒適性要求越來越高。發(fā)動機作為汽車的核心部件，其性能在很大程度上決定了汽車的性能。發(fā)動機的振動和噪聲水平已成為發(fā)動機及汽車綜合性能的重要評價指標(biāo)之一[1]。往復(fù)式發(fā)動機由于工作過程的周期性和機件運動的周期性，運轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力都是周期性變化的，這些力及力矩如果在發(fā)動機內(nèi)部不能互相抵消，就會通過曲軸軸承和機體傳給支架，使發(fā)動機產(chǎn)生振動和噪聲[2]。

1 試驗用發(fā)動機

本文主要研究某2.0L 增壓直噴發(fā)動機平衡軸對發(fā)動機振動性能的影響，發(fā)動機的基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

2 平衡軸原理

根據(jù)活塞加速度近似公式，往復(fù)慣性力為[3]：

式中：一階往復(fù)慣性力為：

二階往復(fù)慣性力為：

式中：mj為往復(fù)質(zhì)量，kg；R 為曲柄半徑，mm；ω 為曲軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；α 為曲軸轉(zhuǎn)角，°CA；λ 為曲柄連桿比。

由上述公式所得到的往復(fù)慣性力示意圖如圖1所示。其中，一階往復(fù)慣性力由于兩兩相反，可以自身平衡，二階往復(fù)慣性力不能平衡。

圖1 四缸發(fā)動機往復(fù)慣性力示意圖

不能平衡的二階往復(fù)慣性力是發(fā)動機整機振動的重要激勵源之一，強烈的振動直接影響發(fā)動機的NVH 性能和使用可靠性，進而影響車輛的使用性能和駕駛平順性。二階往復(fù)慣性力無法通過發(fā)動機本體的設(shè)計予以消除，只能通過安裝平衡機構(gòu)來達到減振降噪的目的。

對于直列四缸發(fā)動機，一般運用雙平衡軸機構(gòu)。雙平衡軸的原理如圖2 所示，2 根平衡軸以2 倍的曲軸轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，可以有效平衡二階往復(fù)慣性力，且它們的旋轉(zhuǎn)方向相反，可以互相平衡。

圖2 平衡軸原理示意圖

3 理論計算分析

通過建模，對2.0L 增壓直噴發(fā)動機整機振動進行有無平衡軸對比計算分析。振動分析模型包括發(fā)動機缸體、缸蓋、曲軸、主軸瓦及主軸承蓋、前端蓋、凸輪軸罩蓋、油底殼、簡化后的平衡軸及變速器殼體等，如圖3 所示。

通過計算得到拆除平衡軸后缸體、缸蓋、前端蓋及油底殼的表面振動加速度，見表2。對比發(fā)動機帶平衡軸及拆除平衡軸后的振動水平，可知拆除平衡軸后，所有區(qū)域的振動均有所增大。

圖3 振動分析模型

表2 拆除平衡軸后的振動分析計算結(jié)果

其中，連接發(fā)動機懸置的前端蓋，帶平衡軸及拆除平衡軸后的X、Y、Z 等3 個方向的表面振動加速度對比結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出，帶平衡軸時，前端蓋的振動性能改善最為明顯。

圖4 前端蓋振動分析結(jié)果

4 整車及臺架試驗

對比有無平衡軸時發(fā)動機運行的振動情況，結(jié)果見表3。從表3 可以看出，整車試驗及臺架試驗狀態(tài)下，拆除平衡軸后，所有區(qū)域的振動均有所增大，其中，臺架試驗前端蓋Y 方向振動增加最為明顯。試驗結(jié)果與理論計算分析結(jié)果基本一致。

整車試驗及臺架試驗時，拆除平衡軸前后，前端蓋、油底殼、缸體和缸蓋等4 個測點Z 方向的的二階振動狀態(tài)分別如圖5 及圖6 所示。

從圖5 及圖6 可以看出，無論是整車試驗還是臺架試驗，拆除平衡軸后，前端蓋、油底殼、缸體和缸蓋等4 個測點Z 方向的二階振動均明顯增加，尤其是在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，這4 個測點Z 方向的二階振動增加最為明顯。

表3 振動加速度測試結(jié)果 m/s2

圖5 整車試驗狀態(tài)二階振動（Z 方向）對比

圖6 臺架試驗狀態(tài)二階振動（Z方向）對比

5 動力性影響

因為平衡軸采用齒輪驅(qū)動的方式，發(fā)動機運行時需要提供動力來驅(qū)動平衡軸。拆除平衡軸前后的發(fā)動機外特性對比如圖7 所示。

圖7 發(fā)動機外特性對比

從圖7 可知，驅(qū)動平衡軸對發(fā)動機的動力性影響很小，基本可以忽略不計。

6 結(jié)論

通過對某2.0L 增壓直噴發(fā)動機有無平衡軸進行理論計算分析以及整車和臺架振動試驗，可知，拆除平衡軸后，發(fā)動機各區(qū)域零件的二階振動均大幅增加。發(fā)動機增加平衡軸后，動力性基本不受影響。說明平衡軸對二階往復(fù)慣性力的平衡效果良好，可有效改善發(fā)動機的振動品質(zhì)。平衡軸機構(gòu)是降低發(fā)動機振動、提高整車舒適性非常有效的措施之一。