直列四缸柴油机平衡机构试验开发
发布时间：2023-03-25 00:47:12 来源：文档文库
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龙源期刊网http://www.qikan.com.cn直列四缸柴油机平衡机构试验开发
作者：许超等
来源：《汽车科技》2015年第03期
摘要：直列四缸四冲程发动机由于其自身结构特点，在运转时其二阶往复惯性力不能自身平衡，由此给发动机带来较大的振动。因此，根据OEM的要求，在发动机上增加双轴平衡机构以降低二阶往复惯性力对发动机振动的影响。本文介绍了一种双轴平衡机构应用于某四升直列四缸四冲程柴油机上的试验研究成果，研究结果表明：双轴平衡机构可以有效地降低直列四缸四冲程柴油机的振动；同时，还可以降低匹配的车辆驾驶室内振动和噪声。关键词：直列四缸四冲程发动机；二阶往复惯性力；双轴平衡机构；振动与噪声中图分类号：U464.133文献标识码：A文章编号：1005-2550（2015）03-0062-05Abstract：Asstructuralfeaturesofinlinefour-cylinderfour-strokeengine，thesecondorderreciprocatinginertiaforcescan’tbebalancedbyitselfwhilerunning.Theforcesbringlargeenginevibration.Therefore，biaxialbalancemechanismistobeaddedontotheenginetoreducethevibrationcausedbytheunbalancedforcesaccordingasOEM’srequirement.Thispaperintroducedasortofbiaxialbalancemechanismappliedto4Linlinefour-cylinderfour-strokedieselengine.Testresultsshowedbiaxialbalancemechanismcaneffectivelyreducethevibrationlevelofinlinefour-cylinderfour-strokedieselengine，andthennoise&vibrationinthecabofvehiclecanbeimprovedobviously.KeyWords：Inlinefour-cylinderfour-strokeengine；secondorderreciprocatinginertiaforces；biaxialbalancemechanism；vibration&noise根据汽车制造商（OEM）的需要，一款四升直列四缸四冲程柴油机被要求带双轴平衡机构，用于改善车辆的振动与噪声。因此，本文对该款柴油机匹配双轴平衡机构进行了试验研究。
由于直列四缸四冲程发动机的固有特点，其二阶往复惯性力不能自身平衡，相对于直列六缸四冲程发动机来说，振动水平较高。因此，在发动机上增加双轴平衡机构以降低二阶往复惯性力对发动机振动的影响。本文介绍了一种双轴平衡机构应用于该款四升直列四缸四冲程柴油机上的试验研究成果，即研究了双轴平衡机构对直列四缸四冲程发动机二阶振动的改善情况以及对发动机噪声的降低作用。1发动机往复惯性力与平衡1.1发动机往复惯性力
龙源期刊网http://www.qikan.com.cn根据内燃机动力学理论可知，活塞往复式内燃机，也就是人们常见的压燃式柴油机和点燃式汽油机等，都存在往复惯性力，包括一阶往复惯性力和二阶往复惯性力。直列四缸四冲程发动机的一阶往复惯性力可以自身平衡，而二阶往复惯性力自身不能平衡，而这不能平衡的二阶往复惯性力正是发动机产生低频振动的主要原因之一。
在发动机工作过程中，活塞每上下运动一个循环，将使发动机产生一上一下两次振动，所以发动机振动的频率和其对应的转速有关。在发动机振动理论中，发动机的振动常用多个谐波振动来描述，其中振动频率和发动机转速相同的叫一阶振动，振动频率是发动机转速2倍的叫二阶振动，依次类推，但振动频率越高，振幅就越小，2阶以上振动基本上可以忽略不计。对于四冲程发动机来说，曲轴每旋转两圈即720°完成一次循环做功。直列四缸四冲程柴油机则对应曲轴每旋转180°有一次燃油着火对外做功，其四缸间相位差180°。代入往复惯性力计算公式（1）中，计算得到直列四缸四冲程柴油机的一阶往复惯性力和二阶往复惯性力之和分别为：
由此可见，直列四缸四冲程柴油机的一阶往复惯性力数值相等，相位相反，4缸之和正好相互抵消平衡；而二阶往复惯性力数值相等，相位相同，无法自身抵消平衡，并且四缸同时达到最大。因此，对于直列四缸四冲程柴油机来说，二阶往复惯性力成为其振动的最大来源。1.2二阶往复惯性力的平衡
根据上述分析可知，二阶往复惯性力是直列四缸四冲程柴油机振动的最大来源。因此想要降低四缸柴油机的振动水平，平衡其二阶往复惯性力成为首要考虑的工作。目前平衡二阶往复惯性力的有效方法是在发动机上增加双轴平衡机构，从而降低发动机振动和噪声水平。双轴平衡机构包括二个平衡轴和传动齿轮等，平衡轴是一种装有偏心重块并随曲轴同步旋转的轴，利用其偏心重块所产生的反向振动力，抵消发动机自身的二阶往复惯性力，使发动机获得良好的平衡，从而达到降低发动机的振动和噪声的目的。
如图1所示，一种双轴平衡机构示意图，根据1.1发动机往复惯性力计算公式可知，直列四缸四冲程柴油机的二阶往复惯性力为：
由于λ、r及Mj都是发动机的特定已知参数，因此只要确定双轴平衡机构的偏心重块的m1r1=0.5λrMj即可很好地平衡直列四缸四冲程柴油机的二阶往复惯性力。
根据上述原理，为本文研究的四升直列四缸四冲程柴油机开发了一种双轴平衡机构，如图2所示：
2发动机试验验证2.1发动机测试准备
龙源期刊网http://www.qikan.com.cn将双轴平衡机构样件装配到四升直列四缸四冲程柴油机样机上。然后将样机安装到发动机试验台架上，同时，在发动机上安装测试传感器，测试位置取具有代表性的气缸体前端和气缸体中部，气缸体作为发动机的最大质量体，不易被其它非发动机正常振动的干扰源激励，而气缸体前端距离测功机较远，气缸体中部距离发动机的重心最近。2.2发动机测试结果
本次研究测试是一种背靠背的测试，即样机装配双轴平衡机构测试一次，紧接着样机不装配双轴平衡机构再测试一次，目的是看相同位置的不同振动表现。测试工况为发动机外特性工况，测试转速超过发动机额定转速2500rpm，达到2600rpm，对应双轴平衡机构转速达到5200rpm。发动机前端测试位置如图3所示，发动机中部测试位置如图4所示。背靠背测试结果如图5和图6所示：2.3测试结果分析
从测试结果看，双轴平衡机构能够明显降低发动机二阶垂直振动幅值，且减振幅度随着发动机转速的提高而增大。在发动机额定转速2500rpm时，缸体前端垂直方向振幅最大可以降低约76%；缸体中部垂直方向振幅最大可以降低约72%。同时从测试结果也可以看出，发动机垂直方向的振动占据整个发动机振动的绝大部分。
在发动机水平振动方向，带与不带双轴平衡机构时的发动机振动差异不明显，甚至在发动机气缸体部位振动水平还有一定的放大；在发动机轴向振动方向，双轴平衡机构也有一定的减振作用，但效果不明显。
分析以上测试结果可知，发动机活塞上下运动而做功，二阶往复惯性力使得垂直方向上振动占据主导地位。同时，说明该双轴平衡机构能够抵消平衡掉大部分活塞等产生的二阶往复惯性力，且水平方向的平衡力与被平衡的二阶往复惯性力未能完全处于同一条直线上，由此产生了沿水平方向的弯矩。3整车试验验证3.1试验车测试准备
将双轴平衡机构样件装配到四升直列四缸四冲程柴油机样机上，然后将样机安装到试验车上。本次研究采用背靠背的测试方法，即样机装配双轴平衡机构测试一次，紧接着样机不装配双轴平衡机构再测试一次，以便分析双轴平衡机构给试验车带来的减振降噪效果。
由于试验车涉及到发动机悬置系统、变速箱系统等其他诸多干扰因素，因此振动方面仍旧只比较双轴平衡机构对发动机二阶振动的改善作用。测试点在整车左前悬置的上下位置，在这二个位置分别布置安装有三向振动加速度传感器，同时，在试验车驾驶室内的前排和后排座椅
龙源期刊网http://www.qikan.com.cn上安装有麦克风传感器，用于测试双轴平衡机构对试验车驾驶室内噪声的改善作用。测试点如图7和图8所示：3.2试验车测试结果测试工况分为四种：
①试验车匀速行驶50km/h，对应发动机转速约1470rpm。振动测试结果如图9所示：②试验车匀速行驶80km/h，对应发动机转速约1630rpm。振动测试结果如图10所示：③试验车匀速行驶100km/h，对应发动机转速约2000rpm。振动测试结果如图11所示：④试验车驻车，柴油机加速扫描，扫描转速约970～2800rpm。振动测试结果如图12所示：
试验车匀速行驶工况，驾驶室内噪声测试结果如表1所示：
试验车驻车，柴油机加速扫描工况，驾驶室内噪声测试结果如图13A和13B所示：
