建模仿真軟件在汽車發動機設計中的應用

賈燕紅

(煙臺汽車工程職業學院，智能汽車工程系, 山東，煙臺 265500)

0 引言

機械結構設計行業大體趨勢是由傳統平面設計轉向三維機構設計，目前市場上主流建模仿真軟件有Pro/Engineer、UG、CATIA、SolidWorks、ANSYS、ADAMS等[1]。這些軟件大都是國外公司設計的，我國目前還處于購買和拓展運用階段，對國外依賴度較高。但是，運用好這些建模仿真軟件確實可以大大縮短產品設計周期，提高企業生產效率[2]。

業內對汽車發動機平衡狀態的界定是：在發動機穩定運行工況下，各支承所受的作用力，無論大小還是方向均不隨時間變化而變化，此時發動機處于平衡狀態[3]。但汽車發動機工作時產生的往復慣性力和選擇慣性力隨內燃機工作過程和機件運動過程一樣具有周期性，加上三缸發動機工作時易產生不平衡的往復慣性力的特殊性，極大破壞了汽車的平穩和舒適性，嚴重危害車輛行駛安全[2]。因此平衡軸系統的設計及裝配尤為重要。

基于某款三缸發動機運用EXCITE_DESIGNER軟件，分析平衡軸系統設計公差引起的裝配誤差對平衡率的影響，判斷公差選擇的合適與否，并應用于工程實踐中。通過對平衡率的影響分析，夯實發動機平衡分析理論，積累平衡軸系統結構設計經驗，為后續平衡軸系統自主研發奠定基礎。

1 三缸機的平衡分析

1.1 曲柄連桿機構中作用力

按照運動性質對曲柄連桿系統各零件進行分組[4]，如圖1所示。

圖1 曲柄連桿機構簡圖

往復運動主要組件，發動機活塞組質量定義為m′，包括活塞、活塞銷、卡簧及活塞環的質量。

往復慣性質量：

(1)

旋轉運動質量：

(2)

根據曲柄連桿往復慣性力示意圖，如圖2所示，可以推算活塞位移、加速度、旋轉慣性力等以下公式[3]。

圖2 曲柄連桿往復慣性力簡圖

活塞位移：

(3)

加速度：

(4)

旋轉慣性力：

Fr=mrrω2=(mk+m2)rω2

(5)

1.2 三缸機的受力分析

如圖3、圖4所示，三缸發動機不同于四缸，其點火間隔角A=720°/3=240°，旋轉慣性力、一階往復慣性力、二階往復慣性力為0。∑Mr、∑Mj、∑Mj∥均未平衡[5]。

圖3 曲柄側視圖

1.3 平衡軸系統方案

為了實現三缸發動機全平衡，則需采用四平衡軸方案。但該方案存在布置困難、成本高、體積大的缺點，所以通常采用的方案是單平衡軸和曲軸各平衡50%一階往復慣性力矩形式[6]。

圖5 三缸發動機平衡軸系統方案

在評價一款發動機平衡軸系統設計是否合理時，可以通過一階往復慣性力矩平衡率來判斷。實際操作中，一階往復慣性力矩平衡率設計的理論值是100%，即平衡軸系統平衡50%、曲軸平衡50%。但實際設計及整機布置的原因，100%僅為目標值。

2 平衡軸系統模型

以某三缸發動機平衡軸系統為例進行研究，其布置形式如圖6所示。平衡塊安裝在平衡軸兩端，通過齒輪傳動并旋轉，使其兩端配重塊產生不平衡的旋轉力矩與曲柄連桿結構的不平衡力矩進行平衡，實現降低振動和噪聲的目的。

圖6 某三缸機平衡軸數模示意圖

此平衡軸系統雖兩平衡軸塊不同，但質徑積相同。平衡軸系統重心位于氣缸中心線平面，且恒位與第一曲拐成30°夾角，如圖7、圖8所示。理論上可獲得最高的平衡率[7]。

圖7 一缸上止點時前端配重塊示意圖

圖8 一缸上止點時后端配重塊示意圖

3 平衡軸與配重塊尺寸公差設計

設計平衡軸與配重塊采用D型槽連接并定位。根據廠商推薦公差，計算發現會有一定角度的偏移。

3.1 前端配重塊偏移量計算

圖9 前端配重塊接合示意圖

圖10 平衡軸前端D型槽尺寸

圖11 前端配重塊D型槽尺寸

3.2 后端配重塊偏移量計算

同理可得后端配重塊的最大偏移角度β=4.18°，即因公差的緣故，后端配重塊約有±4°的偏移量，如圖12、圖13所示。

圖12 平衡軸后端D型槽尺寸

圖13 后端配重塊D型槽尺寸

3.3 實際裝機配重塊偏移量

通過樣機裝配，發現平衡軸前配重塊最大有6°偏移量，平衡軸后配重塊最大9°偏移量，與理論計算偏移量吻合，如圖14所示。

圖14 實際裝機時配重塊偏移量

4 配重偏移對平衡率的影響

裝配過程中發現平衡軸平衡塊相對于理想位置存在裝配誤差，前平衡塊±3°，后平衡塊±4.5°，需對平衡率重新校核，以便判斷公差選擇的合理性，是否需要調整。

排列組合，偏移狀態如表1所示。

表1 配重偏移方案

使用EXCITE_DESIGNER搭建以下模型，然后輸入曲柄連桿系統的曲軸、活塞及連桿的相關參數，基于4 000 r/min轉速即可得出工作循環內曲柄連桿系統的旋轉慣性力矩、一階往復慣性力矩的變化圖，如圖15～圖17所示。

圖15 計算模型

圖16 旋轉慣性力矩(不含配重塊)

圖17 一階往復慣性力矩

同理可得平衡軸系統平衡軸慣性力矩及平衡軸慣性力矩，如圖18、圖19所示。

圖18 理想位置平衡軸慣性力矩

圖19 平衡重慣性力矩

依次計算Case1-Case8，得出曲柄連桿系統的各力矩，發現其旋轉慣性力矩、一階往復慣性力矩及平衡軸慣性力矩相同，如圖16、圖17、圖19所示。平衡軸提供的慣性力矩雖有變化，但變化極小。Case1-Case4峰值減小0.3 Nm，Case5-Case8峰值減小0.5 Nm。因變化極小，如圖18所示。進而可得各偏移狀態下對平衡率的影響，詳見表2。

表2 配重塊偏移對平衡率的影響

由表2可見本臺發動機平衡軸及配重塊尺寸公差引起的裝配誤差對平衡率的影響不明顯。

5 總結

通過使用EXCITE_DESIGNER搭建三缸發動機平衡軸及配重塊模型并仿真計算分析，由此來判斷三缸發動機平衡軸D形槽徑向公差及配重塊D形面徑向公差選擇是否合理，進而判斷尺寸公差引起的配重塊對發動機的平衡率的影響。該方法能夠準確地判斷出公差選擇的合適與否，極大提高平衡軸的裝配和設計效率。