12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊極限輪廓設計

摘要：為解決12V190燃氣內燃機增大行程時曲軸平衡塊需增大質徑積造成的平衡塊形狀設計困難問題，通過推導活塞相對平衡塊的位移公式，繪制活塞裙底部運動包絡線，確定平衡塊的極限輪廓。使用三維軟件進行運動模擬，驗證平衡塊極限輪廓的正確性。結果表明，活塞裙底和平衡塊不干涉且緊密貼合。根據12V190燃氣內燃機的結構和平衡塊的加工工藝，將平衡塊的極限外輪廓由橢圓修正為圓弧，并在活塞底部設計避讓弧，使平衡塊的重心外移，獲得較大的質徑積。

關鍵詞：燃氣內燃機；平衡塊；形狀設計

中圖分類號：TK433.3文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0026-06

引用格式：王太濤. 12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊極限輪廓設計［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（3）：26-31.

WANG Taitao. Design of the limit profile of crankshaft balancer for 12V190 gas engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：26-31.

收稿日期：2024-03-27

基金項目：2023年山東省第二批技術創新項目（202360500011）

作者簡介：王太濤（1980—），男，山東濟陽人，工程碩士，工程師，主要研究方向為燃氣內燃機開發設計，E-mail：13706478410@126.com。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.004

0" 引言

在缸徑不變的情況下增大行程可增大排量，從而提高內燃機的功率。增大行程時曲柄加長，旋轉慣性力增大，需要增大曲軸平衡塊的質徑積。增大行程導致在下止點時活塞下移，平衡塊的布置空間被壓縮，增大了平衡塊的布置難度。12V190燃氣內燃機廣泛應用于天然氣、煤礦瓦斯、沼氣、焦爐煤氣、油母頁巖氣、發生爐煤氣等領域［1］。在12V190燃氣內燃機平衡塊的設計過程中，通常將平衡塊的外圓弧中心與曲軸中心線重合，更加劇了增大行程時平衡塊布置的難度。雖然可通過增大厚度來增加平衡塊的質量，但12V190燃氣內燃機設計緊湊，受連桿桿身間隙的限制，用于增大厚度的空間較小。

目前關于曲軸平衡塊設計的研究較少，且大多集中在平衡計算方面，很少涉及平衡塊形狀設計。文獻［2］對中大柴油機增大行程后的曲軸進行了設計，但并未提及平衡塊的設計方法；文獻［3］建立了液壓約束活塞發動機曲軸平衡塊形狀優化平臺，在平衡塊的質量矩為定值的前提下，得到體積最小、形狀合理的平衡塊造型，但其外輪廓仍然是以曲軸中心為圓心的圓弧；文獻［4］利用虛擬樣機和設計研究技術，討論曲軸優化設計目標選取問題，經過比較各種目標的優化結果，建議將工作周期內曲軸主軸承平均載荷作為平衡塊動態優化設計的優化目標；文獻［5］基于軸承潤滑理論，針對某直列4缸發動機曲軸不同平衡塊配置方案，研究了不同平衡率對曲軸的載荷、潤滑、扭振、強度等性能的影響；文獻［6］研究了3缸內燃機不同的平衡塊布置方案對一階往復慣性力矩轉移率和旋轉慣性力矩轉移率的影響，結果表明布置偏心平衡塊的曲軸平衡旋轉慣性合力矩的效率高于布置不偏心平衡塊的曲軸；文獻［7］分析CA6110ZLA9型6缸柴油機采用4個平衡塊產生的動平衡困難、振動大等問題的原因，進行8平衡塊改進，解決了該型柴油機動平衡困難問題；文獻［8］應用曲軸平衡理論及經驗公式對4缸自然吸氣發動機改為3缸增壓發動機時曲軸平衡塊的布置方式進行設計，并對曲軸的綜合扭振進行評估，結果表明3 缸發動機采用 4 平衡塊技術可以滿足小型化增壓發動機動平衡和扭振要求。上述文獻都未涉及平衡塊極限輪廓設計。

產品設計時可使用仿真軟件建立曲軸、連桿、活塞和平衡塊的三維模型，進行運動模擬，檢查平衡塊輪廓與活塞裙底的干涉情況。這一過程需要多次檢查、重復建模，工作量大。本文中根據活塞相對平衡塊的位移公式推導12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊外輪廓的極限邊界，并基于加工工藝要求修正平衡塊的極限外輪廓，可為實際的平衡塊設計提供參考，并且可以減少仿真工作量，提高內燃機開發效率。

1" 平衡塊與活塞的距離

12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊外輪廓通常設計成與曲軸中心重合的圓弧。平衡塊旋轉至活塞下方過程中，平衡塊輪廓與活塞裙底部的距離S與曲柄轉角的關系如圖1所示。運行中，平衡塊輪廓與活塞裙底的距離先減小，平衡塊中心與活塞中心對齊時距離達到最小，然后逐漸增大。平衡塊可以在遠離中軸線的位置增加質量，如圖2所示。

2" 活塞相對平衡塊的位移

活塞的直線位移如圖3所示。活塞直線位移［9］

x=（r+l）-［rcos α+l（1-λ2sin2α）12］ ，（1）

式中：r為曲柄半徑；l為連桿大、小頭軸線距離；λ為連桿比，λ=r/l；α為曲柄轉角。

將原點移至曲軸中心，活塞位移

xo=rcos α+l（1-λ2sin2α）12。（2）

根據運動的相對性，將曲軸固定，活塞的運動變為往復運動和旋轉運動的組合。以曲軸中心為原點，活塞銷軸線相對曲柄運動的極坐標位移

ρ=rcos α1+l（1-λ2sin2α1）12，（3）

式中α1為活塞相對曲柄的轉角。

根據式（3）繪制以曲軸中心為原點的活塞銷軸線相對曲柄運動的極坐標位移曲線如圖4所示，圖中O點為曲軸中心。由圖4可知：活塞銷軸線相對曲軸曲柄位移的極坐標圖形為偏心圓，直徑為2l，中心偏移量為r。12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊布置如圖5所示。

平衡塊位于曲柄的對面，與曲柄間隔180°，所以活塞相對平衡塊的轉角α2與活塞相對曲柄轉角α1的關系為：α1 =α2-180°，代入式（3）得到以曲軸中心為原點的活塞銷軸線相對平衡塊的極坐標位移

ρ1=rcosα2-180°+l［1-λ2sin2（α2-180°）］12，（4）

根據式（4）繪制以曲軸中心為原點的活塞銷軸線相對平衡塊的極坐標位移曲線如圖6所示。12V190燃氣內燃機活塞結構如圖7所示，圖中b為活塞裙底部到活塞銷軸線的高度，Rf為避讓弧半徑，c為避讓弧最高點到活塞裙底部的高度。

平衡塊外輪廓形狀設計應避免與活塞裙底部干涉，活塞裙底相對平衡塊的位移

ρ2=rcosα2-180°+l［1-λ2sin2（α2-180°）］12-b。（5）

根據式（5）繪制活塞裙底中心相對平衡塊的位移曲線如圖8所示，圖中δ為長軸與短軸的差。由圖8可知：活塞裙底相對平衡塊的位移曲線接近于與活塞銷軸線位移曲線（圖6）同心的橢圓，其短半軸長度為l-b，長半軸長度略大于l-b。令活塞軸線與平衡塊對稱軸重合時為0°，順時針旋轉，則活塞裙底相對平衡塊的位移橢圓的短半軸與0°方向重合，長半軸與90°方向平行。

3" 平衡塊的極限外輪廓

活塞裙底是一個面而不是一個點，在活塞相對平衡塊轉角α2＞0時，活塞裙底的一部分位于活塞裙底位移曲線內側，以活塞裙底中心位移曲線為輪廓設計出的平衡塊與活塞裙底相互干涉。活塞裙底干涉示意圖如圖9所示。繪制活塞裙底的包絡線如圖10所示。活塞裙底的包絡線近似于與活塞裙底位移曲線中心重合，以l-b為長半徑，以ρd為短半徑的橢圓，其中短半徑

ρd=l（1-λ2）12-b。（6）

4" 實例計算及三維模擬

活塞裝配三維模型

12V190燃氣內燃機活塞直徑為190 mm，行程為220 mm，曲柄半徑r為110 mm，連桿長度l為405 mm，活塞裙底部到活塞銷軸線的距離b為70 mm。

由式（6）可得ρd=319.78 mm。

建立曲軸、平衡塊、連桿、活塞裝配三維模型如圖11所示。設置曲軸、平衡塊、連桿、活塞的配合、運動關系：機體（白色部分）設置為固定；曲軸（灰色部分）主軸頸與機體主軸承座孔同心設置為相對轉動；平衡塊（紅色部分）與曲軸固定在一起隨曲軸一起作旋轉運動；連桿（藍色部分）的大頭孔與曲軸的曲柄銷同心并相對轉動，連桿小頭孔與活塞的活塞銷孔同心并相對轉動；活塞（綠色部分）與機體的缸套孔同心，沿軸線方向相對運動。

使用虛擬電機帶動曲軸旋轉，進行曲軸、平衡塊、連桿和活塞的運動分析，在曲柄轉角為80°～280°內每間隔10°記錄一次，結果如圖12所示。

由圖12可知：計算的平衡塊輪廓與活塞不干涉，且在曲柄轉角為110°～250°時，平衡塊剛好與活塞裙底接觸，是平衡塊的極限輪廓。

5" 基于加工工藝的平衡塊極限輪廓設計

根據文獻［10］，曲軸平衡塊外輪廓設計成圓弧形狀易于保證曲軸的動平衡精度。12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊的外輪廓采用車床加工，不宜采用橢圓輪廓，應加工成圓弧形輪廓。12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊外輪廓半徑示意圖如圖13所示。由圖13可知：平衡塊圓弧形輪廓半徑Rmax應滿足l-b-r≤Rmax＜l-b，由平衡塊外輪廓圓弧對曲軸中心的包角θ確定，并且圓弧應與橢圓在交點P處相切。根據橢圓方程可以求出橢圓在P點的斜率和切線，作切線的垂線并與豎直中心線相交可得Rmax，平衡塊的極限圓弧線位于橢圓內側。設極限圓弧的中心到曲軸中心線的距離為e，每一個圓弧線的Rmax都對應一個唯一的e。

若要增大平衡塊的極限輪廓，需要在活塞裙底設置避讓弧。避讓弧越大，平衡塊的極限輪廓擴展范圍越大。

將活塞參數代入式（4），利用CAXA軟件進行計算，分別繪制無避讓弧和有避讓弧時活塞底位移曲線和平衡塊半徑，如圖14所示。由圖14可知：活塞無避讓弧，當θ=180°時，Rmax=318.24 mm；活塞有避讓弧，Rf=255 mm，c=15 mm，當θ=180°時，Rmax=255 mm。

平衡塊的質量與平衡塊重心的旋轉半徑（平衡塊重心到曲軸中心的距離）的積為平衡塊的質徑積。測量平衡塊面積和旋轉半徑，結果如表1所示。由表1可知：活塞無避讓弧和有避讓弧時，平衡塊面積與

旋轉半徑的乘積分別為8 712 149.90、9 579 947.71 mm3；在平衡塊密度和厚度不變的情況下，活塞有避讓弧，盡管平衡塊質量較小，但由于旋轉半徑大，平衡塊的重心外移，平衡塊使用較小的質量獲得較大的質徑積。

6" 結論

本文通過公式推導、公式曲線繪制和三維軟件模擬驗證對12V190燃氣內燃機曲軸平衡塊的極限外輪廓進行設計，得出如下結論。

1）活塞銷軸線相對曲軸平衡塊的位移曲線為圓形，半徑為連桿大、小頭軸線距離，圓形中心沿0°方向偏離曲軸中心，偏離距離為曲柄半徑。

2）活塞底部相對曲軸平衡塊的運動包絡線近似橢圓，長半軸長度為連桿大小頭軸線距離與活塞裙底部到活塞銷軸線距離的差，與90°方向重合，短半軸長度為活塞相對平衡塊旋轉90°時活塞裙底到曲軸中心的距離，與0°方向平行。

3）在活塞底部設置避讓弧時，本文中對避讓弧對極限輪廓影響的研究尚不夠深入。極限外輪廓研究有助于在空間受限的情況下對平衡塊的形狀進行優化，使質徑積達到要求。

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Design of the limit profile of crankshaft balancer for 12V190 gas engine

WANG Taitao

Shengli Oil Field Shengli Power Machinery Group Co.，Ltd.，Dongying 257092，China

Abstract：To solve the difficulty in designing the shape of the balance block caused by the need to increase the mass-semidiameter of the crankshaft balance block when increasing the stroke of a 12V190 gas internal combustion engine， the displacement formula of the piston relative to the balance block is derived， and the motion envelope of the piston skirt bottom is drawn to determine the limit contour of the balance block. Use 3D software for motion simulation to verify the correctness of the limit contour of the balance block. The results indicate that the bottom of the piston group and the balance block do not interfere and are tightly fitted. According to the structure of the 12V190 gas internal combustion engine and the processing technology of the balance block， the limit outer contour of the balance block is modified from an ellipse to a circular arc， and an avoidance arc is designed at the bottom of the piston to shift the center of gravity of the balance block outward and obtain a larger mass diameter product.

Keywords：gas engine; balancer; shape design

（責任編輯：臧發業）