談柴油機的平衡與平衡機構的維護

劉麗娟

摘 要：沒有良好的平衡機構，柴油機工作會產生強烈振動，帶來可怕惡果。從柴油機平衡原理談起，對使用維護中常見的錯誤操作導致平衡機構損壞原因進行了分析。

關鍵詞：柴油機；平衡機構；維護

中圖分類號：TK422 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.02.025

發動機運轉穩定，在每一個工作循環中傳給支承的作用力的大小和方向都不改變。而平衡性不好的發動機會引起發動機在機架上振動，影響駕駛的平順性和舒適性，使駕駛員更加疲勞，以致影響行車安全和作業質量。同時振動引起噪音，消耗能量，降低機器效率，還會引起緊固連接件的松動，降低機器工作的可靠性和耐久性。因此，要采取技術措施，使發動機工作平衡。

對發動機來說，活塞和連桿小頭在汽缸內作往復運動時速度極不均勻，中間快，兩頭慢，在上、下止點改變運動方向的時候速度等于零（加速度最大）。也就是說活塞向下運動時，前半個行程（近似一半行程）是加速運動，往復慣性力向上；后半個行程是減速運動，往復慣性力向下。同理，當活塞向上運動時，前半個行程慣性力向下，后半個行程慣性力向上。換句話說，曲軸轉一圈，活塞在汽缸上半部的慣性力是向上的，下半部的慣性力是向下的，并且活塞和連桿的小頭的重量越大，曲軸轉速越高，往復慣性力越大。就是這個慣性力和離心力使發動機不平衡，引起振動。為此，在195系列柴油機上采用了雙軸平衡或單軸平衡。曲柄上（連桿軸頸相反的一側）裝配平衡重塊用來平衡旋轉慣性力；平衡軸上裝配平衡重塊用來平衡往復慣性力。

1 柴油機平衡原理

雙軸平衡原理是曲軸齒輪經中間齒輪分別驅動，各帶有一平衡重塊的一對平衡軸，這一對平衡軸重量相同，旋轉方向相反。為了滿足平衡要求，兩平衡軸與曲軸轉速相同，即曲軸齒輪與平衡軸齒輪齒數相等。平衡重塊產生的離心力，其兩個水平分力與往復慣性力平衡；兩個垂直分力方向相反，互相抵消。在安裝平衡塊時，應使活塞處于上止點位置時平衡重塊偏向最右側，保證實現往復慣性力的平衡。

雖然雙軸平衡性好，但結構比較復雜，制造成本較高。所以有的柴油機采用了單軸平衡機構。它是用曲軸曲柄上的平衡塊和平衡軸上的平衡塊來平衡往復慣性力的。曲柄上的平衡塊轉動時產生的離心力分兩部分：水平分力平衡往復慣性力的一半，垂直分力則構成一個新的不平衡力。因此，單靠曲柄上的平衡塊不能完全平衡往復慣性力，需另加一根平衡軸，通過一對齒輪由曲軸驅動，其轉速與曲軸相同，轉動方向相反。這根平衡軸上也裝有一個平衡塊，它產生的離心力也分成兩部分：水平分力把剩下的一半往復慣性力平衡掉了，垂直分力和曲軸平衡塊產生的分力互相抵消，實現了往復慣性力的完全平衡。但是，兩個垂直分力不是作用在同一條直線上，由此產生一個不平衡的力矩。所說的部分平衡，就是沒有平衡掉這個力矩，這是單軸平衡的缺點。

必須注意，不管是單軸平衡還是雙軸平衡，都要使曲軸和平衡軸保持位置上的相對關系，也就是齒輪嚙合位置不能錯。否則，非但不能實現平衡，還可能造成更大的不平衡。發動機出廠時，各齒輪都刻有安裝記號，安裝時要對準記號。

2 使用中常見錯誤實例

（1）更換零件的質量誤差過大。柴油機出廠時設計部門己經過嚴格計算，平衡軸與曲軸、連桿、活塞等產生的離心力是基本平衡的。所以在更換它們中的任何一個零件時，都要嚴格按原件質量進行選配，使它們之間的質量差嚴格控制在發動機零件要求的規范內（活塞允差5 g、連桿允差10 g，活塞連桿總成允差30 g，平衡軸允差20 g）。對一臺大修后震動異常的柴油機進行拆檢時發現曲軸、平衡軸質量與原機相差200 g以上，連桿質量相差150 g以上，都大大超過了規定的標準。因此，在修理此類單缸柴油機時，要重視配件的質量關系。

（2）裝配錯誤。一臺195型柴油機平衡齒輪損壞，更換同一型號、同等質量的平衡機構總成，啟動后產生劇烈振動。重新拆下檢查發現，平衡機構總成的平衡齒輪裝反。原來機手在安裝時，因沒找到平衡塊上的配對記號，只好憑經驗把平衡齒輪上的配對記號對準平衡塊的缺口處安裝，結果正好錯過180°，致使平衡機構不僅起不到平衡作用，反而增加了離心力。

在正常情況下，平衡機構偏重所產生的慣性力和曲柄連桿機構運動時的慣性力相抵消，從而保證了柴油機工作的平穩性。但在柴油機拆裝、維修過程中，如果將平衡軸裝錯，不僅不能起平衡作用，反而會引起更大的振動，甚至造成平衡軸的斷裂。

（3）齒輪原嚙合位置改變。一臺X195型柴油機連續斷了三根平衡軸，其斷裂部位是在平衡軸與平衡軸固定盤的連接部位。起初誤認為平衡軸質量差，但換上新平衡軸，裝機后沒多久又斷了。經認真檢查，發現平衡軸與機體的連接位置發生了變化。其原因是：由于原固定平衡軸的螺釘松動，螺釘與機體產生摩擦，致使機體螺釘孔徑擴大，這樣，雖然緊固了螺釘，但平衡軸齒輪與曲軸齒輪原嚙合位置發生了變化，造成柴油機震動加劇。

（4）轉速劇變。對柴油機而言，平衡軸偏重產生的慣性力與曲柄連桿機構的慣性力相平衡，但就平衡機構本身來說，這個慣性力仍然是由平衡軸及軸承來承擔的。所以，當轉速急劇變化時，離心力驟然增大，極易造成平衡軸斷裂。例如“飛車”事故，有不良的猛轟油門習慣等，均會使平衡軸受到比平時大若干倍的慣性力。endprint