混合動力車用三缸汽油機曲軸平衡設計

李佳家

摘 要：汽車動力系統發展日益多元化，混合動力效降低燃油消耗及排放，同時有效的解決了純電動汽車的里程焦慮問題，市場份額不斷增加。由于混合動力發動機運行工況較傳統發動機更窄，更多的利用自然吸氣發動機的高效率區。但是，由于混動系統較傳統動力增加了電動系統，為解決整車布置問題，需要匹配更緊湊的三缸發動機。本文基于四缸自然吸氣發動機，研究三缸自然吸氣發動機曲軸結構及平衡重的設計，并對曲軸的扭振進行評估。結果表明：采用四平衡重結構并將平衡重偏心30°布置，可以使得在最小力偶的情況下，實現旋轉慣性力矩的平衡;該三缸自然吸氣發動機曲軸扭振的最大振幅為0.070 deg，滿足扭振評價要求。

關鍵詞：汽油機;混合動力;曲軸平衡;平衡重

Abstract： The development of automobile power system is becoming more and more diversified. The hybrid efficiency reduces fuel consumption and emissions. At the same time， it effectively solves the mileage anxiety problem of pure electric vehicles， and the market share is increasing. Because the operation condition of the hybrid engine is narrower than that of the traditional engine， more efficient areas of the naturally aspirated engine are used. However， because the hybrid system adds an electric system to the traditional power， in order to solve the vehicle layout problem， it needs to match a more compact 3-cylinder engine. Based on the 4-cylinder naturally aspirated gasoline engine， this paper studies the design of crankshaft structure and balance weight of 3-cylinder engine， and evaluates the torsional vibration of crankshaft. The results show that the balance of the moment of inertia can be achieved with the minimum couple of forces by adopting the four balance weight structure and arranging the balance weight at an eccentricity of 30 °. The maximum amplitude of the crankshaft torsional vibration of the three cylinder naturally aspirated engine is 0.070 deg， which meets the requirements of torsional vibration evaluation.

Keyword： Gasoline engine; Hybrid Vehicle; Crankshaft balancing; Balance weight

前言

為了滿足日益嚴格的油耗及排放法規，實現節能減排的目的，汽車動力系統呈現多元化發展的趨勢，在未來很長一段時間內，內燃機仍然占據著汽車動力的主要份額，其將主要以混合動力及純內燃機兩種形式存在[1]。由于小排量三缸發動機，相對于四缸機，其運動部件更少，摩擦損失更低，相對來說效率更高;同時，自然吸氣發動機熱效率也較增壓發動機更高;外形尺寸更緊湊，對于微小型車及混合動力車，發動機艙布置兼容性更好;與成熟的四缸機產品形成平臺化，減少對現有生產制造系統的改造[1-2]。三缸機由于點火間隔、曲軸平衡特性等問題導致的NVH問題一直是限制其大范圍應用的關鍵所在，但是，由于混合動力的應用，其工況運行范圍較傳統純內燃機動力更窄，主要利用發動機的高效率區間，其振動問題得到很大程度的緩解。

本文基于現有四缸1.5L發動機產品，研究平臺化的三缸發動機產品曲軸平衡重設計，并通過計算分析，評估其扭振等性能，為三缸小排量發動機開發提供指導。

1 三缸小排量自然吸氣發動機簡述

本文研究的三缸小排量自然吸氣發動機，原型機為四缸1.5L自然吸氣發動機，其排量為1.0L，點火順序為1-3-2，點火間隔240°CA，其主要參數如表1所示;基于產品平臺化的考慮，其連桿長度、缸體高度等關鍵結構參數保持與原型機一致，以盡可能的降低對產品生產系統的影響。

根據發動機曲柄連桿機構動力學理論，直列三缸發動機的一階往復慣性力、二階往復慣性力、旋轉慣性力是自平衡的，但其往復慣性力矩和旋轉慣性力矩是不平衡的[3-4]。該三缸發動機通過設置平衡重來平衡旋轉慣性力矩，在飛輪、皮帶輪設置偏心重來平衡往復慣性力矩。

2 三缸發動機曲軸結構設計

2.1 平衡重布置

由于直列三缸發動機曲軸的結構限制，其平衡重主要有三種布置形式，2平衡重，4平衡重，8平衡重，如圖1所示。

對比三種曲軸平衡重布置形式，2平衡重結構雖然結構簡單，但是其曲軸內彎矩會隨著發動機轉速的升高不斷增加，將導致發動機的抖動加劇;6平衡重結構的曲軸內彎矩最小，但是其結構復雜，重量大，不利于曲軸的輕量化;4平衡重結構各項性能相對均衡。通過對市場上的發動機進行對標分析，4平衡重結構曲軸比例較高，綜合考慮，選擇4平衡重結構作為該小排量三缸發動機曲軸結構形式。

2.2 平衡重偏心設計

在直列三缸發動機中，以第二缸的中心為基準，根據解析法可知曲軸旋轉質量綜合慣性力矩矢量的方向與第二缸曲柄方向一致，力偶作用平面與第一缸曲柄夾角為-30°，如圖2所示。

圖2中，1、2、3分別代表曲軸第1、2、3曲柄的位置;1'、3'分別為第1、3缸平衡重的位置;M為曲柄旋轉質量綜合慣性力矩矢量方向;Mcw為平衡重旋轉質量綜合慣性力矩矢量方向;M1為第1曲柄旋轉質量慣性力矩矢量方向;M3為第3曲柄旋轉質量慣性力矩矢量方向;Mcw1為第1平衡重旋轉質量慣性力矩矢量方向;Mcw3為第3平衡重旋轉質量慣性力矩矢量方向;為了滿足旋轉慣性力矩的平衡，并使得力偶最小，需將平衡重偏心30°，其曲軸布置形式如表2所示。

2.3 平衡重尺寸設計

發動機曲軸的平衡重主要用于平衡旋轉慣性力矩，基于前文確定的平衡重布置形式及偏心設計結構，進一步通過計算獲得平衡重的質徑積，為后續平衡重的尺寸及外形設計作為設計輸入。

根據發動機曲柄連桿機構動力學理論[5-6]，直列三缸發動機曲軸旋轉質量綜合慣性力矩∑Mr為：

為實現曲軸旋轉慣性力矩的平衡，平衡重產生的旋轉慣性力矩需要與曲柄旋轉總質量產生的旋轉慣性力矩相等，既：

根據式（1）、（2）、（3），可推導出單個平衡重質徑積與曲柄質徑積的關系為：

將該發動機的行程、連桿大頭等效質量、曲柄銷等效質量、曲柄臂等效質量代入式（2）中，計算得到（Wr）c曲柄質徑積為39.28 kg﹒mm，再根據式（4）計算得到單個平衡重的質徑積為17.01 kg﹒mm。

基于不改變原型機缸體寬度及高度的設計原則，需保證平衡重與缸體曲軸箱內表面不發生運動干涉。保持與原型機平衡重最大外徑一致，對平衡重結構尺寸進行設計，以滿足平衡重質徑積的要求。新設計平衡重最大外徑為68mm，厚度14.9mm，滿足運動間隙要求，如表3所示。

3 曲軸動力學分析

通過搭建曲軸動力學模型，對設計的該直列三缸發動機曲軸進行動力學分析，進一步驗證平衡重結構設計是否滿足設計要求，并分析評估其扭振特性，為皮帶輪及飛輪設計提供設計輸入[7-8]。

3.1 曲軸動力學模型

本文采用Lotus Concept Crank Train軟件對該三缸發動機曲軸進行動力學模型搭建，如圖4所示。

模型中曲軸皮帶輪及飛輪相關參數借用原型機參數，以評估其設計是否滿足三缸發動機的NVH需求，并為后續設計優化提供指導。

由于該三缸發動機與原型機相比，升功率升扭矩參數保持一致，參考原型機的缸內最大爆發壓力試驗值，設定該小排量三缸自然吸氣發動機的最大爆發壓力75bar，作為曲軸動力學分析時的載荷邊界，最大爆發壓力曲線如圖5所示。

3.2 動力學分析結果

該小排量三缸發動機曲軸動力學模型曲軸自由振動的計算結果如圖6所示，由圖可知該三缸發動機曲軸往復慣性力、旋轉慣性力均為0Nm（圖6a），在豎直方向上存在一、二階的往復慣性力矩不平衡（圖6b），水平方向上的旋轉慣性力矩已經通過平衡重進行平衡，與第一章節中的曲軸動力學理論相一致。往復慣性力矩需要通過飛輪、皮帶輪、懸置系統進行吸收。

該小排量三缸發動機曲軸動力學模型曲軸扭振分析結果如圖7所示，由圖可知該三缸發動機曲軸扭振各階次振幅最大值為0.070 deg。Lotus LCCT軟件對于評價扭振的推薦值為：各階次振幅要求小于0.15 deg[9]。從分析結果可知，該三缸發動機在借用原型機皮帶輪及飛輪的情況下也可以滿足曲軸扭振的設計要求。

4 結論

（1）基于直列四缸自然吸氣發動機開發的三缸自然吸氣發動機，由于點火間隔的變化需要重新設計曲軸結構。

（2）對于采用四平衡重結構的三缸發動機，將平衡重偏心30°布置，可以滿足平衡旋轉慣性力矩的目的，存在的旋轉慣性力矩需要通過平衡軸等技術進行平衡。

（3）該直列三缸自然吸氣發動機曲軸系統扭振最大振幅0.070 deg，滿足扭振評價要求，皮帶輪、飛輪等零件存在借用原型機零部件的可能。

參考文獻

[1] 韓志玉，吳振闊，高曉杰.汽車動力變革中的內燃機發展趨勢[J] 汽車安全與節能學報，第10卷第2期，2019年：146-160.

[2] 葉年業，穆建華，黃忠文，等.自然吸氣摩擦功對比試驗研究[J].車用發動機，2013，（2）：10-13.

[3] 倪計民.汽車內燃機原理[M].上海：同濟大學出版社，1997.

[4] Heinz Heisler. Advanced engine technology[M]. London： Edward Arnold，1995.

[5] 何邦全，姚春德，劉增勇，等.三缸發動機的平衡與結構設計[J].小型內燃機，2000，29（4）：5-7.

[6] Tadashi Niino，Tatsuya Iwamoto，Shingo Ueda.Development of simula -tion technology for dynamic behavior of crankshaft system in ott -ocycle engines[J]. JSAE Review， 2003（23）：127-131.

[7] 葉年業.基于CAE技術的發動機產品開發流程研究：[博士學位論文].同濟大學，2011.

[8] Masaru Kinoshita，Takeshiro Sakamato， Hideo Okamura.An Experi -mental study of a Torsional/bending Damper Pulley for an Engine Crankshaft. SAE891127.

[9] Lotus Concept Crank Train Help [CP].Version 4.0.2g，2008.