小型化車用汽油機(jī)曲軸平衡設(shè)計(jì)

張俊 黃勇 李佳家 葉年業(yè)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

隨著油耗及排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，小型化增壓發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸成為了車用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。相對(duì)直列4缸自然吸氣汽油機(jī)，3缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)除了性能可以等效外，其優(yōu)勢(shì)還在于：減少1個(gè)活塞及其相應(yīng)部件，摩擦功相對(duì)較低；體積更小，有利于減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，方便整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的總布置；由于缸徑較大，可以布置更大的進(jìn)排氣門(mén)，提高了充氣效率；可以共用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品現(xiàn)有平臺(tái)，減少生產(chǎn)線的投入[2]。3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是急需解決的問(wèn)題。本研究主要從3缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研角度，對(duì)現(xiàn)有的4缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，研究3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸平衡塊的布置及大小，并對(duì)其扭振性能進(jìn)行評(píng)估，為3缸小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 小型化3缸發(fā)動(dòng)機(jī)總體概述

本研究的小型化3缸發(fā)動(dòng)機(jī)是由原來(lái)4缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)演變而來(lái)，因而設(shè)定點(diǎn)火順序?yàn)?-3-2，點(diǎn)火間隔為240°，并假定活塞、連桿、曲軸的軸承直徑及曲拐結(jié)構(gòu)形狀等均未變。

通過(guò)Benchmark相同排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力試驗(yàn)值，并加上2個(gè)六西格瑪?shù)挠嗔浚O(shè)定本研究3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆發(fā)壓力為10 MPa，作為曲軸設(shè)計(jì)的邊界條件。

根據(jù)直列3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，其自身一、二階往復(fù)慣性力及旋轉(zhuǎn)慣性力是平衡的，但其往復(fù)慣性力矩、旋轉(zhuǎn)慣性力矩均不平衡[3-4]。本研究3缸發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過(guò)設(shè)置平衡塊來(lái)平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩，用飛輪及皮帶輪等來(lái)平衡往復(fù)慣性力矩。

2 3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將原4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸去掉一缸和所有平衡塊，旋轉(zhuǎn)曲拐使其軸向間隔120°，滿足點(diǎn)火順序的要求，并同時(shí)作為3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸設(shè)計(jì)的初步結(jié)構(gòu)。

2.1 平衡塊布置

對(duì)現(xiàn)有3缸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的曲軸進(jìn)行Benchmark分析，可知其曲軸平衡塊的布置主要分為3種，如圖1所示。

2平衡塊曲軸結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高其曲軸內(nèi)彎矩會(huì)不斷增大，增大3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)，同時(shí)為滿足旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡，平衡塊的質(zhì)徑積應(yīng)設(shè)計(jì)得較大，不利于沿用原來(lái)的曲軸箱系統(tǒng)。但該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

6平衡塊曲軸內(nèi)彎矩與2平衡塊相比小很多，但該結(jié)構(gòu)使得曲軸質(zhì)量大，材料成本高，與小型化和輕量化的目的違背。

4平衡塊一定程度上是2平衡塊和6平衡塊的折中，因此，選4平衡塊作為3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)的布置形式。

2.2 平衡塊偏心設(shè)計(jì)

在4平衡塊結(jié)構(gòu)下，以第2缸上止點(diǎn)為基準(zhǔn)，根據(jù)幾何解析法可知，曲軸旋轉(zhuǎn)綜合慣性力矩的方向與2缸中心線一致（曲柄方向），如圖2所示。

圖 2 中 1，2，3 分別為第 1，2，3 曲拐的位置；1'，3'分別為第1缸和第3缸平衡塊位置；M為曲拐綜合力矩方向；M'為平衡塊綜合力矩方向。為了滿足慣性力矩的平衡，同時(shí)使得力偶最小（減小曲軸擾動(dòng)，并減少曲軸質(zhì)量），應(yīng)使平衡塊偏心30°。最終的布置形式，如圖3所示。

2.3 平衡塊質(zhì)徑積計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸平衡塊主要用來(lái)平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩。在平衡塊的布置及偏心設(shè)計(jì)等確定之后，需計(jì)算獲得其質(zhì)徑積，為平衡塊的形狀設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力學(xué)理論[5-7]，直列3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸綜合旋轉(zhuǎn)慣性力矩為：

式中：Wc——曲軸質(zhì)徑積，kg·mm；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

ω——曲軸旋轉(zhuǎn)速度，mm/s；

L——?dú)飧字行木啵琺m。

曲軸的質(zhì)徑積計(jì)算方法為：

式中：S——發(fā)動(dòng)機(jī)沖程，mm；

m1，m2，m3——連桿大頭、曲柄銷、曲柄臂質(zhì)量，kg。

曲軸旋轉(zhuǎn)慣性力矩與平衡塊旋轉(zhuǎn)慣性力矩相等，即：

式中：Ww——平衡塊質(zhì)徑積，kg·mm；

L1——曲柄臂中心距離（如圖4所示），mm；L2——主軸承寬度（如圖4所示），mm。

將發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程及連桿大頭、曲柄銷、曲柄臂的等效質(zhì)量代入式（2），可得曲軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)徑積為：32.36 kg·mm，再將該值代入式（1），通過(guò)式（1）和式（3）可得單個(gè)平衡塊的質(zhì)徑積為：14.01 kg·mm。

2.4 平衡塊結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算獲得單個(gè)平衡塊的質(zhì)徑積（14.01 kg·mm），在樣機(jī)原曲軸箱的空間限制下（外徑不能與缸體內(nèi)表面干涉），沿用原機(jī)的平衡塊厚度，設(shè)計(jì)的新平衡塊結(jié)構(gòu)尺寸，如圖5所示。平衡塊的橫跨角度從135°變化到了150°。由此可知，為滿足3缸發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡，3缸發(fā)動(dòng)機(jī)（4平衡塊）的平衡塊要比原4缸發(fā)動(dòng)機(jī)（6平衡塊）大。

3 加平衡塊后曲軸動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)加平衡塊后的整個(gè)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可進(jìn)一步驗(yàn)證平衡塊設(shè)計(jì)的有效性，同時(shí)評(píng)估其扭振性能，為飛輪及減振器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[8-9]。

本研究采用AVL designer軟件對(duì)新設(shè)計(jì)的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行分析，建立的模型，如圖6所示。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸最大爆發(fā)壓力遠(yuǎn)大于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，需采用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)載荷。通過(guò)Benchmark相似排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓曲線，設(shè)定本研究的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力曲線，如圖7所示。

飛輪和減振器為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭振性能，因此模型中飛輪和減振器先借用原4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，評(píng)估其NVH性能。

3.1 曲軸自由振動(dòng)分析

根據(jù)軟件的計(jì)算結(jié)果，曲軸自由振動(dòng)的性能參數(shù)，如圖8所示。從圖8可以看出，3缸發(fā)動(dòng)機(jī)新設(shè)計(jì)的曲軸慣性力（往復(fù)及旋轉(zhuǎn)慣性力，如圖8a所示）及軸向力矩（如圖8b所示）均為0，進(jìn)一步說(shuō)明曲軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是滿足對(duì)稱結(jié)構(gòu)的。在縱向力矩中（往復(fù)及慣性力矩，如圖8c所示），只存在水平方向的慣性矩（往復(fù)慣性力矩），最大值為173 N·m。對(duì)于往復(fù)慣性力矩，主要由減振皮帶輪、飛輪及懸置等進(jìn)行吸收。

從曲軸自由振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果可知，新設(shè)計(jì)的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與理論分析是吻合的（見(jiàn)第1節(jié)內(nèi)容）。

3.2 曲軸扭振分析

新設(shè)計(jì)的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭振分析結(jié)果，如圖9所示。從圖9可知，在沿用原4缸發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和減振器的條件下，其綜合振幅最大值為0.3°，各諧次振幅最大值為 0.075°。

根據(jù)AVL軟件的推薦值，曲軸中心相對(duì)于飛輪的綜合振幅，一般要求小于0.5°，NVH要求小于0.3°；各個(gè)諧次振幅，一般要求小于0.2°，NVH要求小于0.1°[10]。從軟件的計(jì)算結(jié)果上看，新設(shè)計(jì)的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸均滿足扭振NVH要求，因此原4缸發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪和減振器均可借用。

4 結(jié)論

1）4缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)改造成3缸增壓發(fā)動(dòng)機(jī)后，由于3缸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序及增壓發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力等發(fā)生了變化，需對(duì)曲軸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；

2）3缸發(fā)動(dòng)機(jī)4平衡塊技術(shù)及平衡塊偏心30°均可滿足本研究發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡目的，并可有效降低曲軸質(zhì)量；

3）新設(shè)計(jì)的3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)，強(qiáng)迫振動(dòng)中的綜合振幅最大值為0.3°，各諧次振幅最大值為0.075°，均滿足扭振NVH要求；

4）本研究中提供了一種小型化3缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的概念設(shè)計(jì)方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需對(duì)曲軸強(qiáng)度及軸承等進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，同時(shí)需評(píng)估活塞及連桿的強(qiáng)度等。