某V形柴油機平衡分析和平衡設計

張宏亮，樊文欣

（中北大學機械與動力工程學院，山西太原030051）

某V形柴油機平衡分析和平衡設計

張宏亮，樊文欣

（中北大學機械與動力工程學院，山西太原030051）

利用MATLAB對某V形柴油機進行了平衡分析，針對不平衡力（矩）進行了平衡機構設計，并借助數學建模軟件Lingo對平衡軸設計參數進行優化，實現了100%平衡二次往復慣性力的目標，并部分衰減了傾覆力矩，達到了較為滿意的平衡效果。

發動機；平衡分析；平衡機構設計

0　引言

發動機的振動主要是由于發動機運行中不平衡的慣性力（矩）及傾覆力矩造成的，因此安裝平衡機構對發動機進行平衡設計就是利用平衡機構產生力（矩）抵消發動機自身產生的不平衡力（矩），從而達到發動機整機平衡的目的。

1　某V形柴油機的平衡分析

某柴油機V型夾角為60°，有8個汽缸。采用平面四曲拐的鏡面對稱曲軸和并列連桿機構，設計發火順序為：1-8-3-6-4-5-2-7（即：L1-R4-L3-R2-L4-R1-L2-R3），則該機發火間隔為60°～120°相間發火，柴油機曲柄夾角θ=180°，汽缸夾角γ=60°，可以把它看作是2臺直列式四缸機按60°夾角的組合來分析其平衡性。

首先要分析慣性力系。有結論：對于等缸間距發動機，若各曲拐在曲軸的軸向視圖上成星形對稱，則有各缸一階往復慣性力和旋轉慣性力矢量和為0；若各曲拐分布相對于中央主軸頸成鏡像對稱，則各缸一階往復慣性力矩和旋轉慣性力矩的合力矩為0。因此，首先對柴油機的曲拐分布進行分析，如圖1所示，可見該曲軸滿足曲柄圖星形對稱的條件，故該發動機一階往復慣性力和旋轉慣性力為0，旋轉慣性力和力矩都能實現自平衡。

應用MATLAB編制程序，得到該發動機單缸和整機的平衡分析結果，如圖2所示，可知：該發動機機存在不平衡激勵二次往復慣性力，其值為一常數，矢端軌跡為一圓，初始相位滯后曲軸轉角30°，以2倍曲軸角速度進行旋轉變化，且旋向與曲軸相同；傾覆力矩最大值為4 956.843 552 N·m。

2　某V形柴油機的平衡設計

（1）涉及變量

X中包含以下變量：（1）平衡軸的結構參數R、r、ys1、ys2、d及偏心軸段長度L及材料的密度ρ；（2）雙軸的安裝位置參數Lx、Ly、ε，其中Lx、Ly已經確定，偏角ε是為了使雙軸在旋轉時所產生的附加力矩能最大限度地抵消傾覆力矩而將平衡軸在曲軸中心與平衡軸中心連線的垂直位置處斜向外偏轉的角度。

平衡軸設計圖如圖3所示。

所設計的平衡機構的約束條件為：①雙平衡軸旋轉產生的離心力的合力必須在任何曲軸轉角的位置都能100%平衡柴油機的二次往復慣性力，即：∑PjII=2Qcos（ε-θ），此條件可通過設計平衡軸的結構參數、保證偏心軸段的偏心質量來實現；②設計變量中的各個元素，都須根據柴油機的具體情況（如允許偏心軸段的長度、安裝位置等），在相應的上下界允許范圍內。

（2）目標函數

選定的雙軸旋轉產生的附加力矩M′n與原傾覆力矩Mn的合力矩M的最大值與最小值之差為目標函數，且要求目標函數最小。

應用數學建模軟件Lingo，優化平衡軸的設計參數，所得設計數據為：

3　平衡機構的平衡能力校核

以上所設計的平衡軸，單軸旋轉產生的離心力Q= 9 443.993 663 N，偏角為ε=-6.85°，則雙軸機構對二次往復慣性力的平衡率為：

9443.993663×cos（-6.85°-11.673 7°））=99.995 759 8%可認為該平衡機構已100%平衡二次往復慣性力。

未加平衡機構以前該柴油機的傾覆力矩見圖4。

傾覆力矩MN最大值為4 480 N·m，最小值為-949.4 N·m。最大值與最小值之差為：ΔM=5 429.4 N·m

加平衡機構以后的傾覆力矩見圖5。

傾覆力矩MN最大值為5 004 N·m，最小值為182.5 N·m。最大值與最小值之差為：ΔM=4 821.5 N·m，與加平衡機構前相比減小了607.9 N·m。

4　總結

利用MATLAB對某V形柴油機進行了平衡分析，針對不平衡力（矩）進行了平衡機構設計，并借助數學建模軟件Lingo對平衡軸設計參數進行優化，實現了100%平衡二次往復慣性力的目標，并部分衰減了傾覆力矩，達到了較為滿意的平衡效果。

【1】張保成，趙俊生，樊文欣，等.60°V8發動機平衡分析及平衡機構設計［J］.內燃機工程，2002，23（2）:20-23.

【2】趙丕歡.柴油機平衡分析及平衡機構優化設計［D］.太原:中北大學，2009.

【3】張保成，蘇鐵熊，張林仙.內燃機動力學［M］.北京:國防工業出版社，2009:57.

【4】楊壽藏，陳云彪.現代先進發動機技術——平衡和振動（1）［J］.柴油機設計與制造，2002（4）:29-32.

【5】李雙虎.發動機平衡分析及平衡優化設計［D］.太原:中北大學，2010.

【6】徐兆坤，孫樹亭，吳偉蔚，等.四缸內燃機振動分析及其對策［J］.噪聲與振動控制，2007（6）:51-53.

【7】張樹亭，張有.四缸柴油機平衡設計的趨勢［J］.柴油機設計與制造，2002（4）:4-8.

【8】殷明娟.8缸V型柴油機軸系平衡設計研究［J］.大連鐵道學院學報，2000，21（2）:14-17.

A V Diesel Engine Balance Analysis and Balance Design

ZHANG Hongliang，FAN Wenxin
（College of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China）

Balance analysis was carried out to a V-type diesel engine using MATLAB.In view of the unbalanced force（torque），balance mechanism design was carried out.And with the help of mathematical modeling software Lingo，the balance shaft design parameters were optimized.The goal of 100%balancing secondary reciprocating inertia force is achieved，and the overturning moment is attenuated.A relatively satisfactory balance result is reached.

Engine；Balance analysis；Balance mechanism design

2015-05-26

張宏亮（1989—），男，碩士研究生，研究方向為發動機振動與噪聲控制。E-mail:zhanghl1989423@163.com。