6V150柴油機懸置減振技術的研究

魏勇剛，申進杰，蘭春亮，孟國營

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京100083；2.煤炭科學研究總院太原研究院，太原030006)

6V150柴油機懸置減振技術的研究

魏勇剛1，2，申進杰2，蘭春亮2，孟國營1

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京100083；2.煤炭科學研究總院太原研究院，太原030006)

以某車用6V150柴油機為例，從國內外柴油機減振技術發展狀況入手，分析了造成該機振動的原因，同時對整機慣性力系進行分析，最后采用2種流行的懸置方案進行實驗測量。結果表明：選用方案2后，當量振動強度由C變化為B，懸置減振效果得到改善。

柴油機懸置減振當量振動烈度

1 前言

大功率柴油機是車輛的核心動力裝置，直接影響到車輛的NVH特性，其中柴油機懸置振動程度對車輛影響最明顯。作為某車用動力的6V150柴油機，設計指標要求在所有工況范圍內，其本身的當量振動烈度Vs要控制在GB/T 12779-1991“往復式機器整機振動測量與評級方法”中所定義的C級接近B級的水平。即在有彈性隔振裝置的條件下，要求該機的Vs應接近于B級的下限指標28.0 mm/s。由于該機型90°的V型夾角，各缸之間無法實現均勻發火，使得輸出的動力扭矩均勻性較差，具有很大的傾覆量；發火間隔的不均勻性，使得該機慣性力系的平衡性較差。其中存在著一系列的未平衡成分，包括一次往復慣性力矩、二次往復慣性力矩以及旋轉慣性力矩等；由于輕量化等指標的限制，本柴油機除配裝曲軸平衡重之外，不再增設其它平衡機構。這樣，該機的二次往復慣性力矩將作為自由成分，成為柴油機內部的又一重要的振動激勵源。

基于這些原因，本文研究某V型柴油機的懸置減振技術具有很高的工程使用價值和現實意義。

2 國內外的發展現狀

從近幾十年來國內外研發的機型看，如國外Cummins 4BT、DEUTZ，以及國產EQB140-11、ZZ8V150等都采用了適當的平衡措施，有的甚至采用錯拐曲軸來降低發動機內部的激勵源。

1）通過內部振源的控制和消減，以達到內燃機整機振動控制的目的，已逐漸成為新發動機研發的一個明顯的發展趨勢。直列4缸柴油機的二階往復慣性力，其大小為往復慣性力的4倍，通常在機體兩側布置2根平衡軸，平衡軸長度與機體相當，穿透機體，平衡軸為偏心機構，由飛輪端的齒輪驅動，偏心質量產生的慣性力完全平衡柴油機的二階往復慣性力。2根平衡軸的位置一高一低，由此產生的力矩用于平衡柴油機的二階傾倒力矩。直列6缸柴油機有的采用單軸平衡，有的采用雙軸平衡，還有的采用平衡塊平衡。

2）當前控制整機振動的第二個重要措施是，綜合運用模型技術、信號處理技術、優化設計技術、數值計算技術等多學科領域內的技術成果，進行內燃機懸置系統的優化設計。國內大多數柴油機的當量振動烈度都在GB/T 12779-1991中所定義的C級水平。

3）彈性元件不斷涌現，成為內燃機整機振動控制新特點。鋼絲繩減振器、金屬絲網減振器等金屬材質的懸置彈性元件，液力懸置類懸置彈性元件，以其結構緊湊、阻尼可變的優勢，被廣泛應用于小功率機型的懸置減振。

本文以V型6缸柴油機為研究對象，采用2種不同的懸置方案，綜合應用多項措施來改善振動特性。

3 柴油機內部振動激勵力分析

本文所研究發動機的主要參數如表1所示，并主要針對柴油機3個典型工況怠速工況800 r/min、外特性最大轉矩工況1 500 r/min和標定工況2 200 r/min進行研究分析。

表1 柴油機主要參數

3.1 單缸內部振動激勵力分析

為了計算簡便，將作復合運動的連桿組總質量mc分解為往復運動質量m1和旋轉運動質量m2兩部分：一類為與活塞一起作往復運動的質量mj= mp+m1，另一類為旋轉運動質量mr。其中，mp為活塞組質量，mr為曲柄銷質量、曲柄臂質量和連桿旋轉運動質量m2這三部分換算到曲柄銷中心處的質量之和。求出曲柄連桿機構系統的運動質量后，即可方便地求得曲柄連桿的受力，其中往復運動慣性力、旋轉運動慣性力、氣體作用力，缸壁側壓力N、曲柄切向力T和曲柄徑向力Z。

單缸柴油機曲柄連桿機構所受力傳遞到支承上的有3個：垂向力、切向力、翻倒力矩[1]。

1）垂向力傳到支承上，在支承反力的作用下，引起柴油機的鉛垂振動；

2）切向力傳到支承上，在支承反力的作用下，引起柴油機的水平振動；

3）翻倒力矩與單缸輸出的指示扭矩等值反向，引起柴油機的橫搖振動。

3.2 整機慣性力系平衡分析

多缸柴油機可看作是由若干單缸機通過曲軸連接組合而成的，作用在整個機體上的振動激勵力，應是各單缸機的激勵力組成的一組空間力系的合成[2]。對于6V150柴油機，令C=mjRω2，λ=R/L，Lt為缸心距，其中mj為往復慣性質量，R為曲柄半徑，L為連桿長度。

1）一次往復慣性力和旋轉慣性力

柴油機每1個曲柄上作用著1個沿曲柄半徑方向的作用力，其大小為一次往復慣性力和旋轉慣性力最大值之和，由于3個曲柄每隔120°均勻布置，所以其合力為0，即ΣP=0。

2）二次往復慣性力

柴油機每對氣缸二次往復慣性力合力互相平行，且都在曲軸中心線所在的水平面內，其總合力為，即二次往復慣性力合力為0。

3）一次往復慣性力矩和旋轉慣性力矩，各缸一次往復慣性力和旋轉慣性力分別對第二曲柄中點取矩求和，則有

其方位角為與第一曲柄夾角30°夾角。對于本機，則有ΣMP=30 175 Nm。

4）二次往復慣性力矩

各缸二次往復慣性力對第二曲柄中點取矩求和，它作用在曲軸中心線平面內，有

由于該機已通過配置平衡重的辦法，平衡掉了一次往復慣性力矩和旋轉慣性力矩，所以該機慣性力系中，只有二次往復慣性力合力矩ΣM2未平衡掉。

這樣，本機的振動激勵力有：（1）由單缸翻倒力矩合成的整機傾覆力矩；（2）慣性力系中的二次往復慣性力矩。

5）傾覆力矩

柴油機的傾覆力矩MN(α)可按下式計算：

其中，M′為單缸翻倒力矩。

柴油機二次往復慣性力矩的數學表達式[3]：

可見，ΣM2為規則三角函數，它的頻率表達式為f=2ω=2n/60，其中n為柴油機轉速，則在3個典型工況下的頻率分別為f800=26.7 Hz，f1500=50.0 Hz，f2200=73.33 Hz。

即二次往復慣性力矩，在曲軸中心線所在的水平面內以2倍曲軸轉速，按正弦規律變化，其初相位超前曲軸轉角0°。

4 兩種懸置方案的實驗結果

建立如圖1所示的xyz坐標系統：坐標系原點O位于柴油機曲軸軸線上第二曲拐中心處，x軸平行于曲軸軸線指向自由端，y軸垂直于曲軸軸線水平向右，z軸按右手定則確定為垂直于曲軸軸線垂直向上[4]。

表2列出了2套柴油機懸置方案。在柴油機臺架上，對懸置系統的振動傳遞進行了測量，結果分別如表3和表4所示。

圖1 柴油機懸置系統

表2 柴油機臺架懸置系統特性

表3 優選懸置方案1，柴油機臺架懸置系統振動傳遞率

表4 優選懸置方案2，柴油機臺架懸置系統振動傳遞率

表5 振動速度有效值及振動烈度結果數據列表

根據GB/T 12779-1991“往復式機器整機振動測試與評級方法”中振動烈度的相關規范，參見表5。優化設計后柴油機懸置系統當量振動烈度達到了B級標準。

表中，柴油機振動品質按當量振動烈度Vs值的大小分為A、B、C、D四個等級，其含義分別為“優”、“良”、“容忍”和“不允許”。

試驗測試結果與理論分析計算結果取得了較好的一致性，其對比情況如表6所示。

Research on Shock Absorption Technology for 6V150 Diesel Engine

Wei Yonggang1,2,Shen Jinjie2,Lan Chunliang2,Meng Gongying1
(1.School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining and Technology,Beijin 10008; 2.Taiyuan Institute of China Coal Research Institute,Taiyuan 030006,China)

The cause of engine vibration was analyzed from the development of vibration reduction technology at home and abroad through 6V150 diesel engine for vehicle and then the inertial force system of the engine was also analyzed.Based on the analysis,two popular schemes were adopted for reducing vibration and relevant measurement was conducted.The measurement shows that the equivalent vibration intensity is changed from Degree C to Degree B by taking the second scheme,indicating the scheme is effective in improving the vibration of the engine.

diesel engine,shock absorption,equivalent vibration intensity

來稿日期：2009-2-12基金項目：國家“十一五”科技部支撐計劃項目，項目編號（2008BAB36B08）

魏勇剛（1963－），男，研究員，在讀博士研究生，主要研究方向為煤礦機電產品的研究與開發。