某四缸發動機平衡軸抱軸問題的分析與解決

左云 冀曉棟 于鵬飛 李佳 孫富強 宋清哲

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

某四缸發動機平衡軸抱軸問題的分析與解決

左云1，2冀曉棟1，2于鵬飛1，2李佳1，2孫富強1，2宋清哲1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

平衡軸系統配合間隙的設計要考慮形狀公差及位置公差、材料線膨脹系數等因素的綜合影響，考慮不全面會導致實際工作的配合間隙不合理，過大或者過小都可能導致抱軸問題的發生。優化配合間隙能夠有效地解決抱軸問題，但需要重新評價對整機潤滑系統、NVH性能的影響并加以驗證。試驗結果表明：間隙的優化有效解決了平衡軸抱軸問題，同時對系統油壓、NVH性能帶來影響在可接受的范圍內。

平衡軸抱軸配合間隙NVH潤滑系統

引言

隨著人們對汽車舒適性要求越來越高，發動機的減振降噪變得尤為重要，平衡軸作為一種重要的振源控制機構被廣泛的應用。相對平衡軸系統對發動機NVH性能的貢獻度而言，平衡軸系統本身的設計被人們所忽視，比如說配合間隙的設計。本文結合某四缸增壓直噴汽油機平衡軸抱軸問題的分析與解決過程，較為詳細地分析與驗證了平衡軸系統配合間隙的設計對于發動機潤滑系統、NVH性能及可靠性的影響[1～4]。

1 平衡軸的應用

直列式內燃機存在著不平衡的旋轉慣性力和力矩、不平衡的往復慣性力和力矩以及傾覆力矩。忽略高次的影響，四沖程直列四缸機存在不平衡的二次往復慣性力，它可以用以曲軸旋轉角速度2倍旋轉的正、反轉軸加以平衡。本文涉及的直列四沖程四缸發動機（基本參數見表1）采用上述方法對二次往復慣性力進行平衡，同時為了減輕曲軸的內力矩，減輕軸承載荷，該曲軸設置8平衡重，其布置形式見圖1。

表1 發動機基本參數

圖1 曲軸結構形式

1.1 平衡軸布置及結構形式

該發動機的平衡軸采用LAN Chester式布置形式，兩根平衡軸高度錯開（h1＞h2），分別布置在缸體兩側，平衡二次往復慣性力，其布置形式見圖2。

圖2平衡軸布置形式

圖3 為一側平衡軸裝配后的剖面圖，平衡軸通過套筒安裝在缸體平衡軸安裝孔內，套筒通過螺栓固定在缸體上，套筒相對缸體靜止，起支撐軸承和止推軸承的作用，平衡軸采用強制潤滑方式。

圖3 裝配剖面圖

1.2 抱軸問題的描述

發動機在進行臺架磨合試驗時，首次運行4200 r/min、50%油門開度，扭矩、機油壓力直線下降，同時傳出機械異響，停機檢查未發現明顯故障，盤車檢查，無法轉動發動機。圖4為問題發生過程時臺架監控的發動機扭矩、主油道機油壓力數據。

圖4 扭矩、機油壓力突降曲線

對問題發動機進行拆解，發現左側平衡軸抱死，對總成進行線切割，見圖5。

圖5 左側平衡軸剖切照片

2 問題分析排查

2.1 潤滑系統排查

排查臺架數據，在問題發生前發動機共運轉13 h，臺架檢測數據未發現任何異常，油溫、油壓均滿足發動機的臺架試驗要求。進一步排查，發動機機油液位在機油標尺上下刻度之間，機油泵無卡滯，油道無堵塞；試驗前各零部件均進行過清洗以及清潔度測試。

排除由于潤滑系統異常導致平衡軸系統潤滑不良而抱軸的可能性。

2.2 零部件質量排查

復檢同批次的平衡軸及缸體，對裝機前檢測數據的真實性進行確認，確認檢測數據真實有效，所有零部件滿足設計要求。并根據測量數據對配合間隙進行計算，計算數據見表2。

表2 平衡軸配合間隙實際測量值mm

通過對平衡軸數據的確認及缸體的檢測，確定平衡軸及缸體配合尺寸滿足產品設計要求，排除零部件質量問題導致平衡軸抱軸問題的發生。

2.3 產品設計排查

對設計過程文件進行排查，設計文件中進行了配合間隙的計算，但在校核配合間隙時未考慮各軸頸的形狀公差，相對軸頸之間的位置公差，材料線脹系數的影響。

2.3.1 設計間隙的影響

表3為平衡軸設計配合間隙及形狀、位置公差要求。從設計角度出發，在極限配合（最小配合間隙、最大同軸和圓柱度）情況下，套筒與平衡軸配合間隙幾乎為0。對于滑動軸承，配合間隙過小，會產生臨界摩擦，同時考慮工作過程中可能產生的變形，導致平衡軸在高速時由于配合間隙過小而抱軸。

表3 設計配合間隙及形位公差要求mm

2.3.2 零部件材料的影響

套筒材料為ADC12，缸體材料為HT250，平衡軸材料為QT600，套筒的線膨脹系數為缸體和平衡軸的兩倍以上，見表4。隨著發動機轉速的提高，軸承工作溫度升高，套筒受熱膨脹，由于套筒與缸體配合間隙小，膨脹空間有限，在熱應力的作用下套筒內孔變小，軸與套筒的配合間隙減小，不利于油膜的形成，局部會發生邊界摩擦甚至干摩擦，溫度會因摩擦產生的熱量不能被潤滑油及時帶走而急劇升高，將會因摩擦熱致使鋁套內壁拉毛，直至燒熔而抱死。

表4 材料線膨脹系數α

2.4 結論

通過對潤滑系統、零部件質量、設計配合間隙進行排查，確定導致本次平衡軸抱軸問題的真正原因為：

1）現有配合間隙設計偏小，未考慮各軸頸的形狀公差、相對軸頸之間的位置公差的影響，尤其是材料線脹系數的影響；

2）套筒與缸體的線脹系數差異比較大，致使冷態與熱態情況下配合間隙的差異較大。

3 整改方案制定及試驗驗證

針對以上分析結果，提出以下整改方案，同時重新對潤滑系統、整機NVH性能進行分析驗證。

方案一：增大軸承的配合間隙；

方案二：對軸承結構、材料進行更改，減小配合零部件之間的材料線膨脹系數差異。

3.1 方案設計

結合設計整改對開發周期、產品成本等因素的綜合考慮，確定采用方案一來解決平衡軸抱軸問題。增大平衡軸與缸體的配合間隙，為套筒受熱膨脹提供空間；增大平衡軸與套筒的配合間隙，保證在極限情況下的軸承間隙，更改前后的配合間隙數據見表5。

表5 更改前后配合間隙mm

3.2 配合間隙增大對潤滑系統影響的分析

配合間隙的增大會引起泄油量的增加，在同等條件下，系統的機油壓力會有不同程度的降低，對配合間隙更改前后的主油道機濾后位置、缸體主油道末端、缸蓋主油道末端機油壓力進行檢測。圖6為配合間隙增大后系統機油壓力的降低值，最大壓降為缸蓋末端21.5kPa，出現在5000r/min。

圖6 配合間隙更改前后機油壓力對比

平衡軸配合間隙增大后，使系統機油壓力有所降低，但降低后的機油壓力仍滿足系統的設計要求。

3.2 配合間隙增大對NVH性能影響的分析

對于滑動軸承，當軸承間隙增大時，油膜壓力和軸承的軸心軌跡將發生較大的變化，會導致機體振動加劇，噪聲增大。對更改前后最大配合間隙的平衡軸在整機上的表現進行了振動和噪聲的測試。

圖7為配合間隙增大后發動機總振動級增加值，峰值出現在5000r/min附近，幅值為0.597g；圖8為配合間隙增大后發動機一米聲壓級增大值，峰值出現在5000r/min附近，幅值為0.991 dB（A）。

圖7 配合間隙增大后總振動級增加值

圖8 配合間隙增大后一米聲壓級增加值

增大配合間隙后，振動、噪聲均增大，對發動機NVH性能有所劣化，但滿足一米聲壓級≤98 dB（A）的設計要求，可以接受。

4 可靠性試驗驗證

對更改后的平衡軸最大、最小配合間隙進行400 h可靠性驗證，根據《汽車發動機可靠性試驗方法》對試驗后平衡軸磨損情況進行判定，屬于摩擦表面一般磨損分類中的B類，輕度磨損。需要借助高精度圓柱度儀才能測出磨損量，見圖9。最小配合間隙磨損量≤4 μm，最大配合間隙磨損量≤2.5 μm。

圖9 完成可靠性后軸承檢測數據

配合間隙增大后的最大最小配合間隙均滿足整機的可靠性要求。

5 結束語

通過增大配合間隙方案能夠有效地解決平衡軸抱軸問題，雖然為系統機油壓力及整機NVH性能帶來負面影響，但均滿足設計要求，且通過了可靠性的試驗驗證。相對結構、材料的更改所帶來的周期及成本問題，該方案直接有效。配合間隙更改進行的試驗驗證，對于平衡軸開發過程中配合間隙設計經驗積累有著很重要的意義。

1龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006

2李雙虎.平衡軸機構在機械振源控制中的應用研究[J].現代制造工程，2010（4）：128～132

3楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業機械出版社，1981

4張保成，蘇鐵熊，張林仙.內燃機動力學[M].北京：國防工業出版社，2009

The Analysis and Solution of Balance Shaft Journal Sticking for a Four Cylinder Engine

Zuo Yun1，2，Ji Xiaodong1，2，Yu Pengfei1，2，Li Jia1，2，Sun Fuqiang1，2，Song Qingzhe1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center）

The comprehensive influence of form tolerance，position tolerance，linear expansion coefficient of material and other factors should be considered during the design of fit clearance.Incomplete consideration will result that the fit clearance in real work has too much deviation with theoretical calculation，which can lead to journal sticking.The changing of fit clearance can effectively solve journal sticking，but it also has some negative effects to lubrication system and NVH performance of complete engine.The design change needs detailed verification.

Balance shaft，Journal sticking，Fit clearance，NVH，Lubrication system

TK421

A

2095-8234（2014）-0049-04

2014-05-22）

左云（1987-），男，本科，助理工程師，主要研究方向為發動機設計。