運用AVL_Excite Designer對YC4A發動機進行曲軸偏置設計

趙泉 盧年紅

摘要：發動機的產品力是發動機競爭力的重要組成及影響因素，直接影響發動機的市場推廣情況。發動機產品力由動力性、經濟性、NVH、油耗、機油耗、可靠性、價格水平、質量水平、服務水平等各個重要維度組成。每一個產品力維度均會開展長期及深入的開發和提升，其中曲軸的偏置對發動機的油耗、NVH、摩擦功有局部的積極影響，需持續并深入探究其相關性，最大限度地提升動力系統的產品力。

關鍵詞：發動機? 產品力? 曲軸偏置? 摩擦功? NVH

Using AVL_ Excite Designer Carries out Crankshaft Offset Design for YC4A Engine

ZHAO Quan?? LU Nianhong

（Guangxi Yuchai Machinery Co.， Ltd.， Yulin， Guangxi， 537005 China）

Abstract： Engine product power is an important component and influencing factor of engine competitiveness， which directly affects engine market promotion. It consists of power， economy， NVH， fuel consumption， engine fuel consumption， reliability， price level， quality level， service level and other important dimensions. Each product force dimension will carry out long-term and in-depth development and improvement. The offset of crankshaft has a local positive impact on engine fuel consumption， NVH and friction work. Its correlation needs to be continuously and deeply explored to maximize the product force of power system.

Key Words： Engine; Product force; Crankshaft offset; Friction work; NVH

發動機的產品力是發動機競爭力的重要影響因素，直接影響發動機的市場推廣情況^[1]。發動機產品力由動力性、經濟性、NVH、油耗、機油耗、可靠性、價格水平、質量水平、服務水平等各個重要維度組成。其中，曲軸的偏置對發動機的油耗、NVH、摩擦功有局部的積極影響，需持續并深入探究其相關性^[2]。現針對一款新開發的四缸機做曲軸偏置分析，深入探究曲軸的偏置對發動機的性能、油耗、NVH、摩擦功的相關性，最大限度地提升發動機的表現水平，獲得更好的產品力。

1發動機相關計算邊界

1.1 發動機主要技術參數

發動機型號：YC4A*。

發動機型式：立式、直列、四缸、水冷、四沖程。

氣缸數：4。

缸徑×行程（mm×mm）：108mm×132mm。

標定功率/轉速（kW/r/min）：129/2200。

最大扭矩/轉速（N·m/r/min）：620/1600～1800。

怠速/最高空車轉速（r/min）：750/2310。

1.2 計算模型

根據內燃機設計的相關公式，在Excel中建立計算模型。在Excite Designer中分析發動機主軸承的受力情況和有效輸出功率，計算模型如圖1所示。同時以YC4A機型爆壓實測數據作為分析的載荷及邊界。

2計算分析

2.1? 缸內氣體作用力

根據性能實測發現：800rpm、1200rpm和2000rpm爆壓峰值在一缸曲拐上止點后，其余轉速的爆壓峰值在曲拐上止點位置。

2.2 活塞側推力、發動機傾覆力矩

作用在主推力面時，活塞側推力為正;反之為負。隨著偏置距離的增加，主推力面上的最大活塞側推力逐漸減小，副推力面上的最大活塞側推力逐漸增大。活塞側推力暫無評價標準，但其對傾覆力矩和活塞-缸壁的摩擦功有影響[3]。

從發動機前端往后看，逆時針旋轉為傾覆力矩的正向。隨著偏置距離的增加，正向最大傾覆力矩逐漸減小，負向最大傾覆力矩逐漸增大。傾覆力矩絕對值越大，對整機振動影響越大。傾覆力矩絕對值的最大值比較如表1所示?，高轉速時曲軸左偏10mm對傾覆力矩有較好的減小效果。

傾覆力矩絕對值的最大值比較如圖2所示，高轉速時曲軸左偏10mm對傾覆力矩有較好的減小效果。

2.3? 二階往復慣性力

曲軸不偏置時，活塞加速度為J₀= rω²[ cos α + λ· cos（2α） ]，曲軸偏置時，活塞加速度為 J₁= rω²[ cos α + λ· cos（2α） + λε· sin α ]，λ = 曲柄半徑/連桿長度，ε = 偏置距離/曲柄半徑[4];曲軸左偏置后，活塞加速度比 不偏置時多一項單項式，即為λε· sin α。λε是一個較是一個較小值，因此曲軸左偏置后，對活塞加速度影響微小。偏置前后，活塞二階加速度相同，即發動機二階往復慣性力相同^[5]。

2.4 活塞與缸壁的摩擦功

曲軸左偏有利于降低活塞與缸壁的摩擦功;活塞與缸壁的摩擦功隨偏置距離增大而減小，各偏置方案間比較（不偏置方案不進行比較），減小幅度差異較小^[6]。

2.5? 指示輸出力矩

爆壓曲線相同時，曲軸左偏置對發動機的指示輸出力矩影響微小。

3分析結論

曲軸偏心率，取值范圍通常為0.05～0.2，某新開發機型的曲柄半徑為66mm，則曲軸偏置距離推薦值為3.3～13.2mm。現初定曲軸左偏置范圍為10～15mm，分析結論如下。（1）隨著偏置距離的增加，主推力面上的最大活塞側推力逐漸減小，副推力面上的最大活塞側推力逐漸增大。曲線變化規律和具體數值見2.2節的圖表。（2）從前端往后看，逆時針方向為傾覆力矩的正向，傾覆力矩絕對值大會增強整機的振動。隨著偏置距離的增加，正向最大傾覆力矩逐漸減小，負向最大傾覆力矩逐漸增大。高轉速時對于降低最大傾覆力矩，左偏10mm的方案改善較好。（3）曲軸偏置對活塞往復慣性力影響微小，對二階往復慣性力沒有影響。（4）曲軸左偏有利于降低活塞與缸壁的摩擦功;活塞與缸壁的摩擦功隨偏置距離增大而減小，各偏置方案間比較（不偏置方案不進行比較），減小幅度差異較小。（5）本設計計算分析結果表明：可采用左偏10mm方案，發動機傾覆力矩較小，摩擦功較小，對NVH、油耗、機油耗均有積極影響。

參考文獻

[1] 楊忠陽.新能源汽車還需發力核心技術[N].經濟日報，2020-10-05（09）

[2] 陳劍濤 3.6L綠色環保柴油機研發 [J]. 小型內燃機與車輛技術.2021，50（4），17-21

[3] 馬一鳴.TBD620V16柴油機活塞敲擊噪聲特性與控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2020

[4] 于濤.某大功率摩托車發動機曲軸設計分析[D].廣州：華南理工大學，2019

[5] 段京華.裙部型線對內燃機活塞二階運動和活塞裙部潤滑的影響研究 [J]. 機械設計.2019，36（3），24-29

[6] 劉宇翔.雙偏置對活塞二階運動和潤滑性能的影響研究[J].機械設計與制造工程.2019，48（2），94-98