某90°V6柴油機錯拐前后內部激勵載荷分析

山西中北大學 暴可

某90°V6柴油機錯拐前后內部激勵載荷分析

山西中北大學 暴可

目前市場上的多缸內燃機以V型結構居多，尤其是V型6缸柴油機，它具有結構緊湊、強度高、耐用性好以及較好的燃油經濟性等特點，被廣泛應用于軍用裝甲車和民用重載運輸車等。本文針對某常用90°V6柴油機為研究對象，通過曲軸錯拐的方法對柴油機內部激勵載荷進行優化設計，以減小內燃機的往復慣性力矩和傾覆力矩，從而減小內燃機的振動與噪聲。

曲軸錯拐；往復慣性力矩；傾覆力矩

1 錯拐前后一次往復慣性力矩分析

由于90°V6柴油機內部存在不平衡的一次往復慣性力矩和二次往復慣性力矩，且存在顛覆量較大的傾覆力矩，如果可以從內部抑制這些載荷，將對控制柴油機的振動與噪聲有良好的作用。如果在柴油機內部加裝平衡裝置，將使整個傳動系統變得更加復雜而且需要對柴油機的集體、下箱進行改動，這樣對柴油機的安裝和尺寸有很大影響，所以此次優化采用曲軸錯拐的方法來控制柴油機內部激勵載荷。將同拐曲柄的一側半曲柄銷逆曲軸回轉方向錯位30°，這樣90°V6內燃機就可以實現120°發火間隔角均勻發火。

圖1 普通曲軸（左）與錯拐曲軸（右）對比圖

圖2 柴油機平衡分析簡圖

一次往復慣性力矩在X、Y軸的投影分別為：

其中m為單缸往復運動質量，R為曲柄半徑，γ為兩排氣缸間夾角，l為缸心距，λ為連桿比，ω為曲軸轉角，α為曲軸角速度。

由于兩排氣缸間夾角為90°，所以一次往復慣性力矩的矢端軌跡為一個圓，且圓的半徑為

錯拐之后一次往復慣性力矩在X、Y軸的投影為：

可見錯拐之后一次往復慣性力矩的矢端軌跡為一個橢圓，且橢圓的短軸為

圖3 錯拐前后一次往復慣性力矩對比圖

圖3為錯拐前后一次往復慣性力矩失端軌跡對比，一次往復慣性力矩在錯拐前失端軌跡圓的半徑為5042.1Nm，錯拐后軌跡的橢圓短軸為3565.3Nm，長軸為6175.3Nm，一個工作循環內平均值為4870.3Nm，比錯拐前降低了3.4%。

2 錯拐前后二次往復慣性力矩分析

同理，錯拐前二次往復慣性力矩在X、Y軸投影為：

根據本文研究對象為90°V6柴油機，二次往復慣性力矩合力矩為作用在水平面內的三角函數矢量：

錯拐后二次往復慣性力矩為：

圖4 錯拐前后二次往復慣性力矩將對比圖

圖4為錯拐前后二次往復慣性力矩的對比曲線，錯拐前最大峰值為1972Nm，錯拐后X、Y軸的最大峰值分別為 985.98Nm、1708.8Nm，錯拐后均值為1347.4Nm，下降了31%。

3 錯拐前后傾覆力矩分析

其中Pg為缸內氣體壓力，Pj為往復慣性力，Pj=-mRω2(cosα+λcos2α)。90°V6柴油機是以發火間隔角為90°和150°相間發火，所以整機的傾覆力矩為：

圖5 錯拐前整機傾覆力矩

錯拐后此柴油機可以實現120°發火間隔角的均勻發火。

圖6 錯拐后整機傾覆力矩

錯拐前傾覆力矩最大值為5590.6Nm，錯拐后傾覆力矩最大值3684.4Nm，比錯拐前下降了34%；錯拐前正負峰值差為 8253.2Nm，錯拐后正負峰值差為4715Nm，比錯拐前下降了43%。

4 結論

90°V6柴油機在自身內部激勵載荷中，往復慣性力自身平衡，但是存在不平衡的一次往復慣性力矩和二次往復慣性力矩，并且有浮動較大的傾覆力矩。本文針對此類柴油機錯拐前后的數據對比，可以看出以上數據均有不錯的改善，可以知道錯拐對比90°V6柴油機有較好的優化效果，可以有效控制內燃機的振動與噪聲。

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