直列四缸柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)試驗(yàn)開發(fā)

許超，王勇，鄭國世，陽芳，謝猛

（東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司，湖北 襄陽 441004）

直列四缸柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)試驗(yàn)開發(fā)

許超，王勇，鄭國世，陽芳，謝猛

（東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司，湖北 襄陽 441004）

直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)時其二階往復(fù)慣性力不能自身平衡，由此給發(fā)動機(jī)帶來較大的振動。因此，根據(jù)OEM的要求，在發(fā)動機(jī)上增加雙軸平衡機(jī)構(gòu)以降低二階往復(fù)慣性力對發(fā)動機(jī)振動的影響。本文介紹了一種雙軸平衡機(jī)構(gòu)應(yīng)用于某四升直列四缸四沖程柴油機(jī)上的試驗(yàn)研究成果，研究結(jié)果表明：雙軸平衡機(jī)構(gòu)可以有效地降低直列四缸四沖程柴油機(jī)的振動；同時，還可以降低匹配的車輛駕駛室內(nèi)振動和噪聲。

直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)；二階往復(fù)慣性力；雙軸平衡機(jī)構(gòu)；振動與噪聲

許超

畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司NVH工程師，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)噪聲振動測試技術(shù)開發(fā)等。

根據(jù)汽車制造商（OEM）的需要，一款四升直列四缸四沖程柴油機(jī)被要求帶雙軸平衡機(jī)構(gòu)，用于改善車輛的振動與噪聲。因此，本文對該款柴油機(jī)匹配雙軸平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

由于直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)的固有特點(diǎn)，其二階往復(fù)慣性力不能自身平衡，相對于直列六缸四沖程發(fā)動機(jī)來說，振動水平較高。因此，在發(fā)動機(jī)上增加雙軸平衡機(jī)構(gòu)以降低二階往復(fù)慣性力對發(fā)動機(jī)振動的影響。本文介紹了一種雙軸平衡機(jī)構(gòu)應(yīng)用于該款四升直列四缸四沖程柴油機(jī)上的試驗(yàn)研究成果，即研究了雙軸平衡機(jī)構(gòu)對直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)二階振動的改善情況以及對發(fā)動機(jī)噪聲的降低作用。

1　發(fā)動機(jī)往復(fù)慣性力與平衡

1.1發(fā)動機(jī)往復(fù)慣性力

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)動力學(xué)理論可知，活塞往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，也就是人們常見的壓燃式柴油機(jī)和點(diǎn)燃式汽油機(jī)等，都存在往復(fù)慣性力，包括一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力。直列四缸四沖程發(fā)動機(jī)的一階往復(fù)慣性力可以自身平衡，而二階往復(fù)慣性力自身不能平衡，而這不能平衡的二階往復(fù)慣性力正是發(fā)動機(jī)產(chǎn)生低頻振動的主要原因之一。

往復(fù)式發(fā)動機(jī)往復(fù)慣性力計(jì)算如下：

式中：λ —曲柄半徑與連桿長度之比

r —曲柄半徑

ω —曲柄角速度（發(fā)動機(jī)角轉(zhuǎn)速）

α—曲柄轉(zhuǎn)角

Mj—往復(fù)運(yùn)動的質(zhì)量，Mj=Mp+M1式中：Mp— 活塞組質(zhì)量，M1—連桿小頭當(dāng)量質(zhì)量

在發(fā)動機(jī)工作過程中，活塞每上下運(yùn)動一個循環(huán)，將使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生一上一下兩次振動，所以發(fā)動機(jī)振動的頻率和其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。在發(fā)動機(jī)振動理論中，發(fā)動機(jī)的振動常用多個諧波振動來描述，其中振動頻率和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相同的叫一階振動，振動頻率是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2倍的叫二階振動，依次類推，但振動頻率越高，振幅就越小，2階以上振動基本上可以忽略不計(jì)。

對于四沖程發(fā)動機(jī)來說，曲軸每旋轉(zhuǎn)兩圈即720°完成一次循環(huán)做功。直列四缸四沖程柴油機(jī)則對應(yīng)曲軸每旋轉(zhuǎn)180°有一次燃油著火對外做功，其四缸間相位差180°。代入往復(fù)慣性力計(jì)算公式（1）中，計(jì)算得到直列四缸四沖程柴油機(jī)的一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力之和分別為：

由此可見，直列四缸四沖程柴油機(jī)的一階往復(fù)慣性力數(shù)值相等，相位相反，4缸之和正好相互抵消平衡；而二階往復(fù)慣性力數(shù)值相等，相位相同，無法自身抵消平衡，并且四缸同時達(dá)到最大。因此，對于直列四缸四沖程柴油機(jī)來說，二階往復(fù)慣性力成為其振動的最大來源。

1.2二階往復(fù)慣性力的平衡

根據(jù)上述分析可知，二階往復(fù)慣性力是直列四缸四沖程柴油機(jī)振動的最大來源。因此想要降低四缸柴油機(jī)的振動水平，平衡其二階往復(fù)慣性力成為首要考慮的工作。目前平衡二階往復(fù)慣性力的有效方法是在發(fā)動機(jī)上增加雙軸平衡機(jī)構(gòu)，從而降低發(fā)動機(jī)振動和噪聲水平。雙軸平衡機(jī)構(gòu)包括二個平衡軸和傳動齒輪等，平衡軸是一種裝有偏心重塊并隨曲軸同步旋轉(zhuǎn)的軸，利用其偏心重塊所產(chǎn)生的反向振動力，抵消發(fā)動機(jī)自身的二階往復(fù)慣性力，使發(fā)動機(jī)獲得良好的平衡，從而達(dá)到降低發(fā)動機(jī)的振動和噪聲的目的。

如圖1所示，一種雙軸平衡機(jī)構(gòu)示意圖，根據(jù)1.1發(fā)動機(jī)往復(fù)慣性力計(jì)算公式可知，直列四缸四沖程柴油機(jī)的二階往復(fù)慣性力為：

雙軸平衡機(jī)構(gòu)的偏心重塊在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生離心力F1和F2。

式中：m1= m2為偏心重塊的質(zhì)量

r1= r2為偏心重塊的運(yùn)行半徑

在水平方向的離心力合力為：

在垂直方向的離心力合力為：

如果需要雙軸平衡機(jī)構(gòu)平衡柴油機(jī)的二階往復(fù)慣性力，則只需要∑FII與FZ合大小相等，方向相反即可，也就是說，公式（2）和公式（3）的差值為零即可：

由于λ、r及Mj都是發(fā)動機(jī)的特定已知參數(shù)，因此只要確定雙軸平衡機(jī)構(gòu)的偏心重塊的m1r1=0.5λrMj即可很好地平衡直列四缸四沖程柴油機(jī)的二階往復(fù)慣性力。

根據(jù)上述原理，為本文研究的四升直列四缸四沖程柴油機(jī)開發(fā)了一種雙軸平衡機(jī)構(gòu)，如圖2所示：

2　發(fā)動機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1發(fā)動機(jī)測試準(zhǔn)備

將雙軸平衡機(jī)構(gòu)樣件裝配到四升直列四缸四沖程柴油機(jī)樣機(jī)上。然后將樣機(jī)安裝到發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上，同時，在發(fā)動機(jī)上安裝測試傳感器，測試位置取具有代表性的氣缸體前端和氣缸體中部，氣缸體作為發(fā)動機(jī)的最大質(zhì)量體，不易被其它非發(fā)動機(jī)正常振動的干擾源激勵，而氣缸體前端距離測功機(jī)較遠(yuǎn)，氣缸體中部距離發(fā)動機(jī)的重心最近。

2.2發(fā)動機(jī)測試結(jié)果

本次研究測試是一種背靠背的測試，即樣機(jī)裝配雙軸平衡機(jī)構(gòu)測試一次，緊接著樣機(jī)不裝配雙軸平衡機(jī)構(gòu)再測試一次，目的是看相同位置的不同振動表現(xiàn)。測試工況為發(fā)動機(jī)外特性工況，測試轉(zhuǎn)速超過發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm，達(dá)到2 600 rpm，對應(yīng)雙軸平衡機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 200 rpm。發(fā)動機(jī)前端測試位置如圖3所示，發(fā)動機(jī)中部測試位置如圖4所示。背靠背測試結(jié)果如圖5和圖6所示：

2.3測試結(jié)果分析

從測試結(jié)果看，雙軸平衡機(jī)構(gòu)能夠明顯降低發(fā)動機(jī)二階垂直振動幅值，且減振幅度隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大。在發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm時，缸體前端垂直方向振幅最大可以降低約76%；缸體中部垂直方向振幅最大可以降低約72%。同時從測試結(jié)果也可以看出，發(fā)動機(jī)垂直方向的振動占據(jù)整個發(fā)動機(jī)振動的絕大部分。

在發(fā)動機(jī)水平振動方向，帶與不帶雙軸平衡機(jī)構(gòu)時的發(fā)動機(jī)振動差異不明顯，甚至在發(fā)動機(jī)氣缸體部位振動水平還有一定的放大；在發(fā)動機(jī)軸向振動方向，雙軸平衡機(jī)構(gòu)也有一定的減振作用，但效果不明顯。

分析以上測試結(jié)果可知，發(fā)動機(jī)活塞上下運(yùn)動而做功，二階往復(fù)慣性力使得垂直方向上振動占據(jù)主導(dǎo)地位。同時，說明該雙軸平衡機(jī)構(gòu)能夠抵消平衡掉大部分活塞等產(chǎn)生的二階往復(fù)慣性力，且水平方向的平衡力與被平衡的二階往復(fù)慣性力未能完全處于同一條直線上，由此產(chǎn)生了沿水平方向的彎矩。

3　整車試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)車測試準(zhǔn)備

將雙軸平衡機(jī)構(gòu)樣件裝配到四升直列四缸四沖程柴油機(jī)樣機(jī)上，然后將樣機(jī)安裝到試驗(yàn)車上。本次研究采用背靠背的測試方法，即樣機(jī)裝配雙軸平衡機(jī)構(gòu)測試一次，緊接著樣機(jī)不裝配雙軸平衡機(jī)構(gòu)再測試一次，以便分析雙軸平衡機(jī)構(gòu)給試驗(yàn)車帶來的減振降噪效果。

由于試驗(yàn)車涉及到發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)等其他諸多干擾因素，因此振動方面仍舊只比較雙軸平衡機(jī)構(gòu)對發(fā)動機(jī)二階振動的改善作用。測試點(diǎn)在整車左前懸置的上下位置，在這二個位置分別布置安裝有三向振動加速度傳感器，同時，在試驗(yàn)車駕駛室內(nèi)的前排和后排座椅上安裝有麥克風(fēng)傳感器，用于測試雙軸平衡機(jī)構(gòu)對試驗(yàn)車駕駛室內(nèi)噪聲的改善作用。測試點(diǎn)如圖7和圖8所示：

3.2試驗(yàn)車測試結(jié)果

測試工況分為四種：

① 試驗(yàn)車勻速行駛50km/h，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約1 470rpm。振動測試結(jié)果如圖9所示：

② 試驗(yàn)車勻速行駛80km/h，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約1 630 rpm。振動測試結(jié)果如圖10所示：

③ 試驗(yàn)車勻速行駛100km/h，對應(yīng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速約2 000 rpm。振動測試結(jié)果如圖11所示：

④ 試驗(yàn)車駐車，柴油機(jī)加速掃描，掃描轉(zhuǎn)速約970～2 800 rpm。振動測試結(jié)果如圖12所示：

試驗(yàn)車勻速行駛工況，駕駛室內(nèi)噪聲測試結(jié)果如表1所示：

試驗(yàn)車駐車，柴油機(jī)加速掃描工況，駕駛室內(nèi)噪聲測試結(jié)果如圖13A和13B所示：

3.3測試結(jié)果分析

分析發(fā)動機(jī)振動測試結(jié)果可知，試驗(yàn)車在50km/h、80km/h和100km/h穩(wěn)定車速下運(yùn)行時，對于79Hz以下的低頻率段，雙軸平衡機(jī)構(gòu)對發(fā)動機(jī)各方向的振動均有較明顯的改善。隨著頻率的升高，這種改善作用逐漸減弱，在高頻段時基本上只有垂直方向的振動還有較小改善。在試驗(yàn)車駐車柴油機(jī)加速掃描工況，雙軸平衡機(jī)構(gòu)對發(fā)動機(jī)二階振動在垂直方向有明顯的改善。在軸向和水平振動方向，也有一定的改善作用，這是因?yàn)樵囼?yàn)車測試相對發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)時，發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)更加優(yōu)化，因此雙軸平衡機(jī)構(gòu)在水平和軸向方向也有降低振動之功效。

表1　噪聲測試結(jié)果dB（A）

從表1噪聲測試結(jié)果可知，在試驗(yàn)車勻速行駛工況，駕駛室內(nèi)前排噪聲在車速50km/h和80km/h時改善明顯，約降低1.5～2dB（A）；而100km/h時由于胎噪及風(fēng)噪的影響，雙軸平衡機(jī)構(gòu)對噪聲的改善作用未能顯現(xiàn)。在車速50km/h和80km/h時，后排噪聲也有一定降低，但改善幅度不及前排噪聲，這主要是因?yàn)樵撛囼?yàn)車為前置動力，所以發(fā)動機(jī)的噪聲改善在前排表現(xiàn)得更加明顯。

再看圖13可知，試驗(yàn)車駐車，柴油機(jī)加速掃描工況下，雙軸平衡機(jī)構(gòu)使駕駛室內(nèi)前排噪聲降低約2.5～6dB（A），平均降低約3.5dB（A）；后排噪聲降低約2.5dB（A）。換句話說，雙軸平衡機(jī)構(gòu)可以有效地降低試驗(yàn)車駕駛室內(nèi)的加速噪聲。

4　結(jié)論

（1） 雙軸平衡機(jī)構(gòu)能夠有效地降低四升直列四缸四沖程柴油機(jī)的二階往復(fù)慣性力，從而降低柴油機(jī)的低頻振動。其垂直二階振動幅值降低約30%～80% 。

（2） 四升直列四缸四沖程柴油機(jī)匹配雙軸平衡機(jī)構(gòu)后，可以明顯地降低發(fā)動機(jī)的輻射噪聲，從而有效地改善匹配的車輛駕駛室內(nèi)噪聲。

［1］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［2］鄭忠法，張奠忠，鄭國世. 直列四缸柴油機(jī)二階往復(fù)慣性力平衡機(jī)構(gòu)開發(fā)研究［J］. 汽車科技，2003.（5）：6-8.

［3］樊文欣，張保成，張雪東，等. 直列四缸柴油機(jī)平衡機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2007.（3）： 52-54.

專家推薦

劉正白：

一種平衡理論在柴油機(jī)得到了成功的應(yīng)用。達(dá)到了預(yù)期的效果。文章推理正確，分析清楚。有參考價值。

Experimental Study of Balance Mechanism on Inline Four-Cylinder Diesel Engine

XU Chao， WANG Yong， ZHENG Guo-shi， YANG Fang， XIE Meng
（Dongfeng Cummins Engine Ltd.， Xiangyang， 441004， China）

As structural features of inline four-cylinder four-stroke engine， the second order reciprocating inertia forces can’t be balanced by itself while running. The forces bring large engine vibration. Therefore， biaxial balance mechanism is to be added onto the engine to reduce the vibration caused by the unbalanced forces according as OEM’s requirement. This paper introduced a sort of biaxial balance mechanism applied to 4L inline four-cylinder four-stroke diesel engine. Test results showed biaxial balance mechanism can effectively reduce the vibration level of inline four-cylinder four-stroke diesel engine， and then noise & vibration in the cab of vehicle can be improved obviously.

Inline four-cylinder four-stroke engine； second order reciprocating inertia forces；biaxial balance mechanism； vibration & noise

U464.133

A

1005-2550（2015）03-0062-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.013

2015-01-03