某四缸柴油機(jī)平衡軸殼體斷裂原因分析及改進(jìn)

魏云騰，胡洪濤，劉金濮，邱繼虎（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某四缸柴油機(jī)平衡軸殼體斷裂原因分析及改進(jìn)

魏云騰，胡洪濤，劉金濮，邱繼虎
（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；
2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某四缸柴油機(jī)在可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)平衡軸殼體斷裂，對殼體進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)殼體剛度不足，模態(tài)頻率低，在平衡軸不平衡量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力交變負(fù)荷下，發(fā)生斷裂。通過優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)，提升模態(tài)頻率。改進(jìn)后樣件通過了可靠性試驗(yàn)，解決了平衡軸殼體斷裂問題。

柴油機(jī)平衡軸殼體斷裂模態(tài)

1　　前言

近年來，由于搭載柴油機(jī)的SUV動力性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢明顯，受到越來越多消費(fèi)者的歡迎。但振動大一直是柴油車的一個缺點(diǎn)，而四缸柴油機(jī)又無法靠自身的平衡來消除二階往復(fù)慣性力的影響，因此現(xiàn)在開發(fā)的四缸柴油機(jī)一般都配有平衡軸機(jī)構(gòu)，以降低發(fā)動機(jī)振動，提高整車的舒適性［1］。

平衡軸作為一個復(fù)雜的機(jī)構(gòu)安裝在發(fā)動機(jī)上，會存在各種失效。在平衡軸設(shè)計開發(fā)過程中，需仔細(xì)論證，總結(jié)試驗(yàn)過程中的失效案例。本文將介紹我公司開發(fā)的四缸柴油機(jī)平衡軸殼體斷裂案例的原因分析與改進(jìn)。

2　　失效原因分析

為滿足市場需求，我公司新開發(fā)了一款用于乘用車，排量為2.0 L，排放滿足歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的四缸四沖程柴油機(jī)。由于乘用車對發(fā)動機(jī)的振動要求較高，該柴油機(jī)配置了平衡軸機(jī)構(gòu)，以減少整機(jī)振動［2］。

該柴油機(jī)在樣機(jī)階段進(jìn)行臺架耐久試驗(yàn)過程中出現(xiàn)異響，拆解后發(fā)現(xiàn)平衡軸殼體斷裂，斷裂位置見圖1。在接下來的試驗(yàn)中連續(xù)出現(xiàn)5起平衡軸殼體斷裂事故，樣機(jī)試驗(yàn)被迫暫停，針對此問題進(jìn)行專項(xiàng)整改。

導(dǎo)致平衡軸殼體斷裂的可能原因有以下幾方面：（1）在裝配過程中，違規(guī)操作，砸傷零部件或者零部件碰撞、掉落摔傷等；（2）平衡軸殼體的材料機(jī)械性能不合格；（3）試驗(yàn)過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常如飛車、超負(fù)荷等；（4）平衡軸殼體本身設(shè)計有問題，強(qiáng)度不足。

圖1　平衡軸殼體斷裂

針對上述原因，逐一排查：

（1）調(diào)取樣機(jī)裝配過程監(jiān)控錄像，裝配過程符合作業(yè)規(guī)范，可排除裝配原因；

（2）平衡軸殼體為鋁合金高壓鑄造成型，牌號為ADC12，其機(jī)械性能檢測結(jié)果如表1所示。

表1　ADC12機(jī)械性能檢測結(jié)果

通過以上檢測，可以排除材料機(jī)械性能不合格的原因。

（3）對試驗(yàn)過程的監(jiān)控數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等）進(jìn)行排查，未發(fā)現(xiàn)異常，可排除試驗(yàn)原因。

（4）對平衡軸殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析，見圖2。計算得出，最大應(yīng)力103 MPa，低于材料的抗拉強(qiáng)度228 MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

3　　平衡軸殼體模態(tài)分析

將平衡軸安裝總成（包括上殼體、下殼體、平衡軸、齒輪、螺栓）數(shù)模裝配后進(jìn)行模態(tài)分析，如圖3所示。材料屬性如表2所示。

圖2　平衡軸殼體強(qiáng)度

圖3　平衡軸安裝總成數(shù)模

表2　材料屬性

模態(tài)計算結(jié)果如圖4所示：一階頻率：1 073 Hz；二階頻率：1 442 Hz；三階頻率：1 707 Hz。

平衡軸殼體主要承受平衡軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力，所以平衡軸殼體及平衡軸總成模態(tài)頻率需避讓平衡軸旋轉(zhuǎn)階次及其主要諧頻。隨著階次增加，激勵逐漸減小，設(shè)計時考慮前十階頻率，其計算公式為：

其中，n為發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

斷裂發(fā)生在軸承座部位，此處結(jié)構(gòu)過于單薄，且無可靠的支撐。殼體一階頻率為1 073 Hz，低于1 330 Hz，在平衡軸產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力交變負(fù)荷下，后端軸承座變形最為嚴(yán)重，發(fā)生斷裂。

4　　解決措施

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，進(jìn)行平衡軸殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，主要更改有以下4個方面，平衡軸殼體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對比見圖5。

圖4　改進(jìn)后平衡軸殼體模態(tài)

圖5　殼體結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計對比

（1）改進(jìn)加強(qiáng)筋布置，將螺栓搭子連接起來，提高連接強(qiáng)度、整體剛度；

（2）針對斷裂部位，通過三角形結(jié)構(gòu)加強(qiáng)軸承座與緊固螺栓搭子之間的連接；

（3）在保證與其他零部件不干涉的前提下，減小避讓孔大小，避讓孔之間加筋，提高剛度；

（4）根據(jù)模態(tài)分析，在上下兩個殼體分離最大位置增加2個螺栓，避免分離。

對改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如表3所示。改進(jìn)后平衡軸殼體變形情況見圖6。

表3　平衡軸殼體改進(jìn)后模態(tài)分析結(jié)果

圖6　改進(jìn)后平衡軸殼體模態(tài)

改進(jìn)設(shè)計后，平衡軸殼體模態(tài)頻率大幅提高。根據(jù)優(yōu)化后方案制作樣件，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證通過。200 h全速全負(fù)荷試驗(yàn)后平衡軸總成狀態(tài)見圖7。

圖7　　可靠性試驗(yàn)后平衡軸總成

5　總結(jié)

此次平衡軸殼體斷裂究其原因，在平衡軸不平衡量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力交變負(fù)荷下，殼體剛度不足，導(dǎo)致變形嚴(yán)重。通過改進(jìn)殼體結(jié)構(gòu)，提高剛度，將一階頻率提高到1518 Hz，最終通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，成功解決了此問題。

隨著乘用車對柴油機(jī)的需求逐漸增加，越來越多的四缸柴油機(jī)采用平衡軸機(jī)構(gòu)。在實(shí)際工作中，應(yīng)針對平衡軸機(jī)構(gòu)不同失效模式深入分析原因，進(jìn)行改進(jìn)，認(rèn)真總結(jié)，積累經(jīng)驗(yàn)，減少平衡軸機(jī)構(gòu)的失效風(fēng)險，推動柴油機(jī)在SUV市場的應(yīng)用。

［1］楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

［2］陳丹，李佑長，胡作武.采用雙平衡軸對四缸柴油機(jī)的減振研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，9（3）：255-258.

Analysis and Improvement for Balance Shaft Housing Break Cause in Four Cylinder Diesel Engine

Wei Yunteng，Hu Hongtao，Liu Jinpu，Qiu Jihu
（1.Technical Center，Great Wall Motor Company Limited，Baoding 071000，China；2.Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center，Baoding 071000，China）

The balance sh aft housing break in four cylinder diesel engine reliability experiment process，modal analysis for balance shaft housing.Find out the stiffness insufficient，modal frequency low，balance shaft of unbalanced mass generate rotation inertia alternating load，then the break happened. Optimized the structure of the housing，promote modal frequency.Passed the reliability experiment，problem was solved.

diesel engine，balance shaft，housing，break，，modal

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.010

來稿日期：2015-05-26

魏云騰（1984-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)設(shè)計與開發(fā)。