直列四缸柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)試驗(yàn)開發(fā)

許超，王勇，鄭國世，陽芳，謝猛

（東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，湖北 襄陽 441004）

直列四缸柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)試驗(yàn)開發(fā)

許超，王勇，鄭國世，陽芳，謝猛

（東風(fēng)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，湖北 襄陽 441004）

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

直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)；二階往復(fù)慣性力；雙軸平衡機(jī)構(gòu)；振動(dòng)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(dòng)機(jī)有限公司NVH工程師，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)噪聲振動(dòng)測(cè)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(jī)被要求帶雙軸平衡機(jī)構(gòu)，用于改善車輛的振動(dòng)與噪聲。因此，本文對(duì)該款柴油機(jī)匹配雙軸平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

由于直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特點(diǎn)，其二階往復(fù)慣性力不能自身平衡，相對(duì)于直列六缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，振動(dòng)水平較高。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)上增加雙軸平衡機(jī)構(gòu)以降低二階往復(fù)慣性力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響。本文介紹了一種雙軸平衡機(jī)構(gòu)應(yīng)用于該款四升直列四缸四沖程柴油機(jī)上的試驗(yàn)研究成果，即研究了雙軸平衡機(jī)構(gòu)對(duì)直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)的改善情況以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的降低作用。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)慣性力與平衡

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)慣性力

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)理論可知，活塞往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，也就是人們常見的壓燃式柴油機(jī)和點(diǎn)燃式汽油機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生低頻振動(dòng)的主要原因之一。

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)慣性力計(jì)算如下：

式中：λ —曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比

r —曲柄半徑

ω —曲柄角速度（發(fā)動(dòng)機(jī)角轉(zhuǎn)速）

α—曲柄轉(zhuǎn)角

Mj—往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)工作過程中，活塞每上下運(yùn)動(dòng)一個(gè)循環(huán)，將使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一上一下兩次振動(dòng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的頻率和其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)理論中，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)常用多個(gè)諧波振動(dòng)來描述，其中振動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同的叫一階振動(dòng)，振動(dòng)頻率是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2倍的叫二階振動(dòng)，依次類推，但振動(dòng)頻率越高，振幅就越小，2階以上振動(dòng)基本上可以忽略不計(jì)。

對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)則對(duì)應(yīng)曲軸每旋轉(zhuǎn)180°有一次燃油著火對(duì)外做功，其四缸間相位差180°。代入往復(fù)慣性力計(jì)算公式（1）中，計(jì)算得到直列四缸四沖程柴油機(jī)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(jī)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(shí)達(dá)到最大。因此，對(duì)于直列四缸四沖程柴油機(jī)來說，二階往復(fù)慣性力成為其振動(dòng)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(jī)振動(dòng)的最大來源。因此想要降低四缸柴油機(jī)的振動(dòng)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(dòng)機(jī)上增加雙軸平衡機(jī)構(gòu)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲水平。雙軸平衡機(jī)構(gòu)包括二個(gè)平衡軸和傳動(dòng)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(dòng)力，抵消發(fā)動(dòng)機(jī)自身的二階往復(fù)慣性力，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好的平衡，從而達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲的目的。

如圖1所示，一種雙軸平衡機(jī)構(gòu)示意圖，根據(jù)1.1發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)慣性力計(jì)算公式可知，直列四缸四沖程柴油機(jī)的二階往復(fù)慣性力為：

雙軸平衡機(jī)構(gòu)的偏心重塊在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)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(yùn)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(jī)構(gòu)平衡柴油機(jī)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(dòng)機(jī)的特定已知參數(shù)，因此只要確定雙軸平衡機(jī)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(jī)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(jī)開發(fā)了一種雙軸平衡機(jī)構(gòu)，如圖2所示：

2　發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試準(zhǔn)備

將雙軸平衡機(jī)構(gòu)樣件裝配到四升直列四缸四沖程柴油機(jī)樣機(jī)上。然后將樣機(jī)安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝測(cè)試傳感器，測(cè)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(dòng)機(jī)的最大質(zhì)量體，不易被其它非發(fā)動(dòng)機(jī)正常振動(dòng)的干擾源激勵(lì)，而氣缸體前端距離測(cè)功機(jī)較遠(yuǎn)，氣缸體中部距離發(fā)動(dòng)機(jī)的重心最近。

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果

本次研究測(cè)試是一種背靠背的測(cè)試，即樣機(jī)裝配雙軸平衡機(jī)構(gòu)測(cè)試一次，緊接著樣機(jī)不裝配雙軸平衡機(jī)構(gòu)再測(cè)試一次，目的是看相同位置的不同振動(dòng)表現(xiàn)。測(cè)試工況為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況，測(cè)試轉(zhuǎn)速超過發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm，達(dá)到2 600 rpm，對(duì)應(yīng)雙軸平衡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 200 rpm。發(fā)動(dòng)機(jī)前端測(cè)試位置如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)中部測(cè)試位置如圖4所示。背靠背測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示：

2.3測(cè)試結(jié)果分析

從測(cè)試結(jié)果看，雙軸平衡機(jī)構(gòu)能夠明顯降低發(fā)動(dòng)機(jī)二階垂直振動(dòng)幅值，且減振幅度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大。在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm時(shí)，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(shí)從測(cè)試結(jié)果也可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)垂直方向的振動(dòng)占據(jù)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的絕大部分。

在發(fā)動(dòng)機(jī)水平振動(dòng)方向，帶與不帶雙軸平衡機(jī)構(gòu)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)差異不明顯，甚至在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體部位振動(dòng)水平還有一定的放大；在發(fā)動(dòng)機(jī)軸向振動(dòng)方向，雙軸平衡機(jī)構(gòu)也有一定的減振作用，但效果不明顯。

分析以上測(cè)試結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上下運(yùn)動(dòng)而做功，二階往復(fù)慣性力使得垂直方向上振動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位。同時(shí)，說明該雙軸平衡機(jī)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(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)車測(cè)試準(zhǔn)備

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

由于試驗(yàn)車涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)等其他諸多干擾因素，因此振動(dòng)方面仍舊只比較雙軸平衡機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)的改善作用。測(cè)試點(diǎn)在整車左前懸置的上下位置，在這二個(gè)位置分別布置安裝有三向振動(dòng)加速度傳感器，同時(shí)，在試驗(yàn)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(cè)試雙軸平衡機(jī)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)車駕駛室內(nèi)噪聲的改善作用。測(cè)試點(diǎn)如圖7和圖8所示：

3.2試驗(yàn)車測(cè)試結(jié)果

測(cè)試工況分為四種：

① 試驗(yàn)車勻速行駛50km/h，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約1 470rpm。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖9所示：

② 試驗(yàn)車勻速行駛80km/h，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約1 630 rpm。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖10所示：

③ 試驗(yàn)車勻速行駛100km/h，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約2 000 rpm。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖11所示：

④ 試驗(yàn)車駐車，柴油機(jī)加速掃描，掃描轉(zhuǎn)速約970～2 800 rpm。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如圖12所示：

試驗(yàn)車勻速行駛工況，駕駛室內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果如表1所示：

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

3.3測(cè)試結(jié)果分析

分析發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果可知，試驗(yàn)車在50km/h、80km/h和100km/h穩(wěn)定車速下運(yùn)行時(shí)，對(duì)于79Hz以下的低頻率段，雙軸平衡機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各方向的振動(dòng)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(shí)基本上只有垂直方向的振動(dòng)還有較小改善。在試驗(yàn)車駐車柴油機(jī)加速掃描工況，雙軸平衡機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)二階振動(dòng)在垂直方向有明顯的改善。在軸向和水平振動(dòng)方向，也有一定的改善作用，這是因?yàn)樵囼?yàn)車測(cè)試相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)更加優(yōu)化，因此雙軸平衡機(jī)構(gòu)在水平和軸向方向也有降低振動(dòng)之功效。

表1　噪聲測(cè)試結(jié)果dB（A）

從表1噪聲測(cè)試結(jié)果可知，在試驗(yàn)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(shí)改善明顯，約降低1.5～2dB（A）；而100km/h時(shí)由于胎噪及風(fēng)噪的影響，雙軸平衡機(jī)構(gòu)對(duì)噪聲的改善作用未能顯現(xiàn)。在車速50km/h和80km/h時(shí)，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?yàn)樵撛囼?yàn)車為前置動(dòng)力，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲改善在前排表現(xiàn)得更加明顯。

再看圖13可知，試驗(yàn)車駐車，柴油機(jī)加速掃描工況下，雙軸平衡機(jī)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(jī)構(gòu)可以有效地降低試驗(yàn)車駕駛室內(nèi)的加速噪聲。

4　結(jié)論

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

（2） 四升直列四缸四沖程柴油機(jī)匹配雙軸平衡機(jī)構(gòu)后，可以明顯地降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)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(jī)二階往復(fù)慣性力平衡機(jī)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(jī)平衡機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2007.（3）： 52-54.

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