某發(fā)動(dòng)機(jī)平衡軸系統(tǒng)優(yōu)化分析

沙賓賓，趙世來，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽 110141）

前言

在當(dāng)今汽車行業(yè)中，隨著汽車的性能越來越高，人們已經(jīng)不單純滿足于對(duì)性能的需要，而是越來越多對(duì)車輛的舒適性提出了更多的要求，在舒適性方面，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是一個(gè)急需要解決的問題，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)里也針對(duì)振動(dòng)提出了設(shè)計(jì)平衡軸的解決方案。

1 平衡軸系統(tǒng)的功能

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度非常快而且不均勻，這就導(dǎo)致曲柄連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生很大的往復(fù)慣性力，這些往復(fù)慣性力不能被平衡的話就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，而專門設(shè)計(jì)的平衡軸系統(tǒng)就可以通過特定的的旋轉(zhuǎn)方向和速度來平衡掉一部分往復(fù)慣性力，減小發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)平衡軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)中，由于對(duì)傳動(dòng)平穩(wěn)性、可靠性、低噪音等的要求，不僅需要選擇合適的鏈條，而且還要優(yōu)化導(dǎo)向板輪廓設(shè)計(jì)和安裝位置，調(diào)整張緊器的預(yù)緊或工作下的狀態(tài)。

在某款發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)平衡軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)波動(dòng)性較大，需要對(duì)平衡軸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，下圖是平衡軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡圖。

圖1 平衡軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

平衡軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要先校核曲軸鏈輪齒形參數(shù)（按制造參數(shù)平均值取值）和平衡軸鏈輪與惰鏈輪齒形參數(shù)（按制造參數(shù)平均值取值），另外需要校核如下幾個(gè)基本參數(shù)：

1）張緊器；

2）導(dǎo)軌軌面參數(shù)；

3）定軌；

4）張緊軌。

通過分析發(fā)現(xiàn)機(jī)械式張緊器，在棘齒的作用下，使得柱塞的運(yùn)動(dòng)形式只能伸出殼體外部而不能退回殼體內(nèi)部，另外通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)棘齒外輪廓與殼體之間存在3mm的間隙空間，這一點(diǎn)使得柱塞在伸出殼體后還是可以退回 3mm左右的行程，換一個(gè)說法也就是說在張緊器在安裝后柱塞可能會(huì)產(chǎn)生最大約 3mm的往復(fù)竄動(dòng)量，如下是機(jī)械式張緊器的設(shè)計(jì)簡圖。

圖2 張緊器結(jié)構(gòu)示意圖

由于機(jī)械式張緊器在工作過程中的 3mm往復(fù)串動(dòng)量導(dǎo)致鏈條產(chǎn)生橫向速度和平衡軸鏈輪的相位差以及鏈條內(nèi)力與接觸力的變化，下圖是張緊器柱塞 3mm竄動(dòng)量下的鏈條橫向速度、平衡軸鏈輪的相位差和鏈條內(nèi)力與接觸力。

圖3 3mm串動(dòng)量下鏈條橫向速度

圖4 3mm串動(dòng)量下平衡軸鏈輪相位差

圖5 3mm串動(dòng)量下鏈條內(nèi)力與接觸力

另外也分別計(jì)算了張緊器柱塞啊在 2mm竄動(dòng)量、1mm竄動(dòng)量、0.5mm竄動(dòng)量、0mm竄動(dòng)量下的鏈條橫向速度、平衡軸鏈輪的相位差和鏈條內(nèi)力與接觸力，通過計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨著張緊器柱塞竄動(dòng)量的減少，鏈條的橫向速度峰值減少，傳動(dòng)更平穩(wěn)，平衡軸鏈輪的相位差減小有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī) 2階振動(dòng)。隨張緊器柱塞竄動(dòng)量的減少，鏈條內(nèi)力增大，說明張緊力有所增大，但對(duì)鏈輪接觸力幾乎沒有改變，定軌的接觸力變大，會(huì)導(dǎo)致此處磨損增大。

除此之外也計(jì)算了隨張緊器柱塞竄動(dòng)量的減少對(duì)進(jìn)氣平衡軸鏈輪速度、惰鏈輪速度和排氣平衡軸鏈輪速度的影響。

3 小結(jié)

減少張緊器柱塞的竄動(dòng)量相當(dāng)于增加鏈系統(tǒng)的張緊力。

減少張緊器柱塞的竄動(dòng)量可以改善鏈傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

增大張緊力可以減小平衡軸鏈輪的相位差，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)2階振動(dòng)。

適當(dāng)減少張緊器柱塞的竄動(dòng)量在一定程度上可以減少鏈條橫向速度，降低振幅，但效果并不明顯，可通過鏈條導(dǎo)軌軌面型線優(yōu)化來驗(yàn)證。

4 優(yōu)化分析

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要先假設(shè)張緊器柱塞竄動(dòng)量為0mm，分別進(jìn)行以下幾方面的優(yōu)化：

4.1 張緊導(dǎo)軌軌面型線優(yōu)化

導(dǎo)軌型面對(duì)鏈條橫向速度的峰值及平穩(wěn)性沒有較大改善，且采用小半徑弧面的導(dǎo)軌型面會(huì)使平衡軸鏈輪相位差加大；導(dǎo)軌型面對(duì)鏈條內(nèi)力影響非常小，對(duì)于優(yōu)化的張緊導(dǎo)軌型面，接觸力有所改善；導(dǎo)軌型面對(duì)進(jìn)氣平衡軸鏈輪速度的低階次有一定影響但對(duì)其余各階次幾乎沒有影響；導(dǎo)軌型面對(duì)惰鏈輪速度的低階次有一定影響但其余各階次幾乎沒有影響；導(dǎo)軌型面對(duì)排氣平衡軸鏈輪速度各階次幾乎沒有影響。

4.2 張緊力優(yōu)化

平衡軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中鏈條張緊器張緊力當(dāng)前值為 20N，系統(tǒng)內(nèi)允許可應(yīng)用的最大張緊力為 50N。隨著張緊力的加大，鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行更平穩(wěn)，平衡軸鏈輪相位差相對(duì)減小；鏈條內(nèi)力隨著張系統(tǒng)緊力增大而變大，但是對(duì)接觸力的影響較小；張緊力增加可減小進(jìn)氣平衡軸鏈輪速度各階次沖擊但對(duì)各階次影響都較小；張緊力增加使惰鏈輪速度和排氣側(cè)鏈輪速度個(gè)別階次沖擊升高。

4.3 惰鏈輪位置優(yōu)化

根據(jù)以上情況可以看出原系統(tǒng)已經(jīng)沒有更多的優(yōu)化空間，單純對(duì)導(dǎo)軌型面進(jìn)行優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)的沒有太大的貢獻(xiàn)，雖然加大系統(tǒng)張緊力可以改善進(jìn)氣側(cè)的振動(dòng)情況但是又會(huì)劣化排氣側(cè)輪系振動(dòng)情況，基于以上幾點(diǎn)可以考慮通過更改輪系的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際空間位置情況，可以針對(duì)惰鏈輪位置的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需要將鏈條增加3個(gè)鏈節(jié)，同時(shí)還需要改變鏈條導(dǎo)軌軌面型線。優(yōu)化后的鏈條橫向速度相比原有平衡軸系統(tǒng)略有改善，改進(jìn)后的平衡軸鏈輪相位差減小，鏈條內(nèi)力減小，但是接觸力改善不大。如下圖：

圖6 優(yōu)化后平衡軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 優(yōu)化后鏈條橫向速度

進(jìn)氣側(cè)鏈輪沖擊增大，其余鏈輪改善明顯，根據(jù)以上分析可以認(rèn)為進(jìn)一步優(yōu)化張緊力使系統(tǒng)得到更好的善。

5 結(jié)論

通過本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)，平衡軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化過，張緊器的柱塞竄動(dòng)量減小到一定程度可以改善鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，但改善非常有限；增加鏈條張緊力可以減少進(jìn)氣側(cè)鏈輪的沖擊，并減小兩平衡軸的相位差，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)2階振動(dòng)，但會(huì)增加排氣側(cè)鏈輪的沖擊，而導(dǎo)致噪聲升高；導(dǎo)軌型面的改善對(duì)振動(dòng)改的作用有限，但能改善導(dǎo)軌的接觸力和鏈傳動(dòng)平穩(wěn)性；重新布置鏈輪可以得到相對(duì)較大振動(dòng)噪聲改善。發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)分析，及時(shí)解決，及時(shí)驗(yàn)證，直到成功的解決問題。以上是對(duì)平衡軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了一款發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)故障。

圖8 優(yōu)化后平衡軸鏈輪相位差

圖9 優(yōu)化后鏈條內(nèi)力與接觸力

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