2.0L 增壓直噴發動機平衡軸研究

王泰晟 覃海峰 莫家駒

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心 廣西 柳州 545007）

引言

隨著科技進步及人們生活水平的提高，人們對汽車的舒適性要求越來越高。發動機作為汽車的核心部件，其性能在很大程度上決定了汽車的性能。發動機的振動和噪聲水平已成為發動機及汽車綜合性能的重要評價指標之一[1]。往復式發動機由于工作過程的周期性和機件運動的周期性，運轉中所產生的旋轉慣性力和往復慣性力都是周期性變化的，這些力及力矩如果在發動機內部不能互相抵消，就會通過曲軸軸承和機體傳給支架，使發動機產生振動和噪聲[2]。

1 試驗用發動機

本文主要研究某2.0L 增壓直噴發動機平衡軸對發動機振動性能的影響，發動機的基本參數如表1所示。

表1 發動機基本參數

2 平衡軸原理

根據活塞加速度近似公式，往復慣性力為[3]：

式中：一階往復慣性力為：

二階往復慣性力為：

式中：mj為往復質量，kg；R 為曲柄半徑，mm；ω 為曲軸旋轉角速度，rad/s；α 為曲軸轉角，°CA；λ 為曲柄連桿比。

由上述公式所得到的往復慣性力示意圖如圖1所示。其中，一階往復慣性力由于兩兩相反，可以自身平衡，二階往復慣性力不能平衡。

圖1 四缸發動機往復慣性力示意圖

不能平衡的二階往復慣性力是發動機整機振動的重要激勵源之一，強烈的振動直接影響發動機的NVH 性能和使用可靠性，進而影響車輛的使用性能和駕駛平順性。二階往復慣性力無法通過發動機本體的設計予以消除，只能通過安裝平衡機構來達到減振降噪的目的。

對于直列四缸發動機，一般運用雙平衡軸機構。雙平衡軸的原理如圖2 所示，2 根平衡軸以2 倍的曲軸轉速旋轉，可以有效平衡二階往復慣性力，且它們的旋轉方向相反，可以互相平衡。

圖2 平衡軸原理示意圖

3 理論計算分析

通過建模，對2.0L 增壓直噴發動機整機振動進行有無平衡軸對比計算分析。振動分析模型包括發動機缸體、缸蓋、曲軸、主軸瓦及主軸承蓋、前端蓋、凸輪軸罩蓋、油底殼、簡化后的平衡軸及變速器殼體等，如圖3 所示。

通過計算得到拆除平衡軸后缸體、缸蓋、前端蓋及油底殼的表面振動加速度，見表2。對比發動機帶平衡軸及拆除平衡軸后的振動水平，可知拆除平衡軸后，所有區域的振動均有所增大。

圖3 振動分析模型

表2 拆除平衡軸后的振動分析計算結果

其中，連接發動機懸置的前端蓋，帶平衡軸及拆除平衡軸后的X、Y、Z 等3 個方向的表面振動加速度對比結果如圖4 所示。從圖4 可以看出，帶平衡軸時，前端蓋的振動性能改善最為明顯。

圖4 前端蓋振動分析結果

4 整車及臺架試驗

對比有無平衡軸時發動機運行的振動情況，結果見表3。從表3 可以看出，整車試驗及臺架試驗狀態下，拆除平衡軸后，所有區域的振動均有所增大，其中，臺架試驗前端蓋Y 方向振動增加最為明顯。試驗結果與理論計算分析結果基本一致。

整車試驗及臺架試驗時，拆除平衡軸前后，前端蓋、油底殼、缸體和缸蓋等4 個測點Z 方向的的二階振動狀態分別如圖5 及圖6 所示。

從圖5 及圖6 可以看出，無論是整車試驗還是臺架試驗，拆除平衡軸后，前端蓋、油底殼、缸體和缸蓋等4 個測點Z 方向的二階振動均明顯增加，尤其是在發動機高轉速時，這4 個測點Z 方向的二階振動增加最為明顯。

表3 振動加速度測試結果 m/s2

圖5 整車試驗狀態二階振動（Z 方向）對比

圖6 臺架試驗狀態二階振動（Z方向）對比

5 動力性影響

因為平衡軸采用齒輪驅動的方式，發動機運行時需要提供動力來驅動平衡軸。拆除平衡軸前后的發動機外特性對比如圖7 所示。

圖7 發動機外特性對比

從圖7 可知，驅動平衡軸對發動機的動力性影響很小，基本可以忽略不計。

6 結論

通過對某2.0L 增壓直噴發動機有無平衡軸進行理論計算分析以及整車和臺架振動試驗，可知，拆除平衡軸后，發動機各區域零件的二階振動均大幅增加。發動機增加平衡軸后，動力性基本不受影響。說明平衡軸對二階往復慣性力的平衡效果良好，可有效改善發動機的振動品質。平衡軸機構是降低發動機振動、提高整車舒適性非常有效的措施之一。