某發動機平衡軸系統優化分析

沙賓賓，趙世來，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

在當今汽車行業中，隨著汽車的性能越來越高，人們已經不單純滿足于對性能的需要，而是越來越多對車輛的舒適性提出了更多的要求，在舒適性方面，發動機的振動是一個急需要解決的問題，發動機技術里也針對振動提出了設計平衡軸的解決方案。

1 平衡軸系統的功能

在發動機工作過程中，活塞的往復運動速度非常快而且不均勻，這就導致曲柄連桿機構產生很大的往復慣性力，這些往復慣性力不能被平衡的話就會導致發動機產生振動，而專門設計的平衡軸系統就可以通過特定的的旋轉方向和速度來平衡掉一部分往復慣性力，減小發動機振動。

2 發動機平衡軸系統的結構分析

現代高速發動機配氣機構鏈傳動中，由于對傳動平穩性、可靠性、低噪音等的要求，不僅需要選擇合適的鏈條，而且還要優化導向板輪廓設計和安裝位置，調整張緊器的預緊或工作下的狀態。

在某款發動機設計過程中，根據模擬分析發現平衡軸驅動系統波動性較大，需要對平衡軸系統進行設計優化，下圖是平衡軸系統的設計簡圖。

圖1 平衡軸系統結構示意圖

平衡軸驅動系統需要先校核曲軸鏈輪齒形參數（按制造參數平均值取值）和平衡軸鏈輪與惰鏈輪齒形參數（按制造參數平均值取值），另外需要校核如下幾個基本參數：

1）張緊器；

2）導軌軌面參數；

3）定軌；

4）張緊軌。

通過分析發現機械式張緊器，在棘齒的作用下，使得柱塞的運動形式只能伸出殼體外部而不能退回殼體內部，另外通過計算發現棘齒外輪廓與殼體之間存在3mm的間隙空間，這一點使得柱塞在伸出殼體后還是可以退回 3mm左右的行程，換一個說法也就是說在張緊器在安裝后柱塞可能會產生最大約 3mm的往復竄動量，如下是機械式張緊器的設計簡圖。

圖2 張緊器結構示意圖

由于機械式張緊器在工作過程中的 3mm往復串動量導致鏈條產生橫向速度和平衡軸鏈輪的相位差以及鏈條內力與接觸力的變化，下圖是張緊器柱塞 3mm竄動量下的鏈條橫向速度、平衡軸鏈輪的相位差和鏈條內力與接觸力。

圖3 3mm串動量下鏈條橫向速度

圖4 3mm串動量下平衡軸鏈輪相位差

圖5 3mm串動量下鏈條內力與接觸力

另外也分別計算了張緊器柱塞啊在 2mm竄動量、1mm竄動量、0.5mm竄動量、0mm竄動量下的鏈條橫向速度、平衡軸鏈輪的相位差和鏈條內力與接觸力，通過計算對比發現隨著張緊器柱塞竄動量的減少，鏈條的橫向速度峰值減少，傳動更平穩，平衡軸鏈輪的相位差減小有利于改善發動機 2階振動。隨張緊器柱塞竄動量的減少，鏈條內力增大，說明張緊力有所增大，但對鏈輪接觸力幾乎沒有改變，定軌的接觸力變大，會導致此處磨損增大。

除此之外也計算了隨張緊器柱塞竄動量的減少對進氣平衡軸鏈輪速度、惰鏈輪速度和排氣平衡軸鏈輪速度的影響。

3 小結

減少張緊器柱塞的竄動量相當于增加鏈系統的張緊力。

減少張緊器柱塞的竄動量可以改善鏈傳動的平穩性。

增大張緊力可以減小平衡軸鏈輪的相位差，從而改善發動機2階振動。

適當減少張緊器柱塞的竄動量在一定程度上可以減少鏈條橫向速度，降低振幅，但效果并不明顯，可通過鏈條導軌軌面型線優化來驗證。

4 優化分析

在優化設計過程中，需要先假設張緊器柱塞竄動量為0mm，分別進行以下幾方面的優化：

4.1 張緊導軌軌面型線優化

導軌型面對鏈條橫向速度的峰值及平穩性沒有較大改善，且采用小半徑弧面的導軌型面會使平衡軸鏈輪相位差加大；導軌型面對鏈條內力影響非常小，對于優化的張緊導軌型面，接觸力有所改善；導軌型面對進氣平衡軸鏈輪速度的低階次有一定影響但對其余各階次幾乎沒有影響；導軌型面對惰鏈輪速度的低階次有一定影響但其余各階次幾乎沒有影響；導軌型面對排氣平衡軸鏈輪速度各階次幾乎沒有影響。

4.2 張緊力優化

平衡軸驅動系統中鏈條張緊器張緊力當前值為 20N，系統內允許可應用的最大張緊力為 50N。隨著張緊力的加大，鏈條傳動系統運行更平穩，平衡軸鏈輪相位差相對減小；鏈條內力隨著張系統緊力增大而變大，但是對接觸力的影響較小；張緊力增加可減小進氣平衡軸鏈輪速度各階次沖擊但對各階次影響都較小；張緊力增加使惰鏈輪速度和排氣側鏈輪速度個別階次沖擊升高。

4.3 惰鏈輪位置優化

根據以上情況可以看出原系統已經沒有更多的優化空間，單純對導軌型面進行優化對系統的沒有太大的貢獻，雖然加大系統張緊力可以改善進氣側的振動情況但是又會劣化排氣側輪系振動情況，基于以上幾點可以考慮通過更改輪系的布置進行優化設計。根據某發動機的實際空間位置情況，可以針對惰鏈輪位置的布置進行優化設計，首先需要將鏈條增加3個鏈節，同時還需要改變鏈條導軌軌面型線。優化后的鏈條橫向速度相比原有平衡軸系統略有改善，改進后的平衡軸鏈輪相位差減小，鏈條內力減小，但是接觸力改善不大。如下圖：

圖6 優化后平衡軸系統結構示意圖

圖7 優化后鏈條橫向速度

進氣側鏈輪沖擊增大，其余鏈輪改善明顯，根據以上分析可以認為進一步優化張緊力使系統得到更好的善。

5 結論

通過本文的優化設計，平衡軸驅動系統經優化過，張緊器的柱塞竄動量減小到一定程度可以改善鏈傳動系統的沖擊，但改善非常有限；增加鏈條張緊力可以減少進氣側鏈輪的沖擊，并減小兩平衡軸的相位差，從而改善發動機2階振動，但會增加排氣側鏈輪的沖擊，而導致噪聲升高；導軌型面的改善對振動改的作用有限，但能改善導軌的接觸力和鏈傳動平穩性；重新布置鏈輪可以得到相對較大振動噪聲改善。發現問題，及時分析，及時解決，及時驗證，直到成功的解決問題。以上是對平衡軸驅動系統的優化設計，改善了一款發動機的設計故障。

圖8 優化后平衡軸鏈輪相位差

圖9 優化后鏈條內力與接觸力

參考文獻

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