肖華，劉新彥，朱曉天

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

四缸柴油機去平衡機構(gòu)振動與噪聲研究

肖華，劉新彥，朱曉天

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

對某直列4缸機取消平衡機構(gòu)前后的振動和噪聲水平進(jìn)行了測試，根據(jù)4缸機平衡分析，改進(jìn)了該4缸機的曲軸平衡重設(shè)計，并進(jìn)行了振動、噪聲測試，試驗結(jié)果表明在沒有平衡機構(gòu)時，僅改進(jìn)曲軸平衡重設(shè)計，發(fā)動機噪聲有所下降，在高轉(zhuǎn)速時的振動情況沒有明顯變化，但在中低轉(zhuǎn)速時振動情況有一定改善。

柴油機平衡機構(gòu)振動噪聲

1 前言

隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對柴油機的要求也越來越高，除了要求有良好的動力性和經(jīng)濟性外，振動和噪聲水平也成為考評柴油機性能的重要方面。由于工作方式不同，柴油機的振動及噪聲情況往往比汽油機惡劣得多，對于使用柴油機的道路用車輛來說，振動過大不僅容易導(dǎo)致零部件失效，而且對駕駛員的身心健康不利，因此在柴油機上開展減振降噪工作是很有必要的。

發(fā)動機的振動狀況在很大程度上取決于曲柄連桿機構(gòu)的平衡狀況。曲柄連桿機構(gòu)的不平衡質(zhì)量在多缸發(fā)動機中會引起慣性力、慣性力矩和曲軸的內(nèi)彎矩，這些都是影響發(fā)動機振動的因素。在發(fā)火間隔均勻的直列發(fā)動機中，有些發(fā)動機的合成慣性力和慣性力矩均為零，如6缸機；但也有些發(fā)動機的二階往復(fù)慣性力合力不為零，如4缸發(fā)動機。所以對于4缸機來說，其曲柄連桿機構(gòu)自身是不平衡的。

為了平衡4缸機的二階往復(fù)慣性力，通常需要專門增加一個轉(zhuǎn)向相反的平衡機構(gòu)，并通過齒輪傳動。但平衡機構(gòu)的使用一方面會增加發(fā)動機成本，另一方面平衡機構(gòu)自身的可靠性也是影響發(fā)動機性能的一個重要因素。一旦平衡機構(gòu)上的零部件產(chǎn)生異常磨損，發(fā)動機的振動狀況將會急劇惡化。

本文將以取消平衡機構(gòu)后的4缸柴油機為研究對象，從改進(jìn)曲軸平衡重的角度探討4缸柴油機的減振降噪方法。

2 四缸柴油機平衡分析

2.1 慣性力

4沖程4缸機為了發(fā)火間隔均勻，曲柄夾角應(yīng)為180°，如圖1所示。曲柄連桿機構(gòu)的慣性力包括旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力二部分[1]。

旋轉(zhuǎn)慣性力的合力在氣缸中心線方向的投影為：

其中，

旋轉(zhuǎn)慣性力的合力在氣缸中心線方向的投影為：

旋轉(zhuǎn)慣性力的合力：

往復(fù)慣性力僅沿氣缸中心線作用，其值為：

式中，

上式中由二部分組成，第一部分為一階往復(fù)慣性力，第二部分為二階往復(fù)慣性力。

一階往復(fù)慣性力合力：

二階往復(fù)慣性力合力：

圖1 四缸發(fā)動機慣性力

可見在慣性力中，只有二階往復(fù)慣性力未平衡。

2.2 慣性力矩

旋轉(zhuǎn)慣性力矩：

其中，為缸心距。

一階往復(fù)慣性力矩：

二階往復(fù)慣性力矩：

所以，對于4沖程發(fā)動機而言，慣性力矩都已平衡。

2.3 內(nèi)彎距

以上慣性力和慣性力矩的計算，考量的是曲柄連桿機構(gòu)對外部支撐系統(tǒng)的作用情況，即所謂的“外平衡”。實際上，發(fā)動機還存在“內(nèi)平衡”的問題。由于曲軸不是絕對剛體，在力和力矩的作用下會產(chǎn)生變形，于是將一部分力或力矩通過軸承傳到機體上，使機體產(chǎn)生振動。因此，“內(nèi)平衡”也是評價整機振動的重要因素。對發(fā)動機內(nèi)部平衡性的計算和制定，目前一般只考慮離心慣性力在曲軸上形成彎曲力矩的作用情況，并取最大彎矩值作為評價“內(nèi)平衡”好壞的依據(jù)。

將曲軸看成一根直梁，則各主軸承處的彎矩分別為：

由于曲軸是關(guān)于第三檔主軸承中心線對稱布置，故：

3 取消平衡機構(gòu)對柴油機振動和噪聲的影響

為研究取消平衡機構(gòu)對4缸柴油機振動和噪聲的影響，對某4缸柴油機取消平衡機構(gòu)前后的振動和噪聲水平進(jìn)行了試驗對比。

3.1 柴油機參數(shù)及試驗設(shè)備

該柴油機的基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗發(fā)動機基本參數(shù)

測試設(shè)備型號及制造廠家說明：

測控系統(tǒng)：EIM0400，奕科機電設(shè)備有限公司；水渦流測功器：WE42，奕科機電設(shè)備有限公司；瞬態(tài)油耗測量儀：FCM05，奕科機電設(shè)備有限公司；振動分析儀：VA-11，日本RION公司；聲級計：2236，丹麥Brüel&Kja er公司；傳聲器：4188，丹麥Brüel&Kja er公司；聲級校準(zhǔn)器：4231，丹麥Brüel&Kja er公司。

3.2 振動烈度和噪聲測試方法

振動測量在發(fā)動機上取5個點測量4個工況點（外特性）的振動速度，如圖2所示，并用當(dāng)量振動烈度作為振動評價指標(biāo)：

其中，，，為測點處沿各方向的振動速度。

噪聲測量在發(fā)動機附近取8個點測量標(biāo)定工況點的聲壓，如圖3所示，并用聲功率級來衡量發(fā)動機的噪聲水平。

圖2 振動測量示意圖

圖3 噪聲測量示意圖

3.3 原機測試結(jié)果

取消平衡機構(gòu)前后，該發(fā)動機的振動和噪聲測試結(jié)果如表2所示。從表2的數(shù)據(jù)中可以明顯看出，取消平衡機構(gòu)后，發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下的振動烈度都有很明顯的上升，高轉(zhuǎn)速時的差異尤為突出。取消平衡機構(gòu)后，發(fā)動機的標(biāo)定點噪聲也有了一定的上升，但小于117 dB(A)的國標(biāo)噪聲限值。

表2 取消平衡機構(gòu)前后發(fā)動機的振動與噪聲測試結(jié)果

4 改進(jìn)曲軸平衡重對降低振動與噪聲的作用

在曲軸上增加平衡重的目的是平衡旋轉(zhuǎn)離心力及其力矩，同時降低曲軸承受的內(nèi)彎距，從而減小主軸承的負(fù)荷。

根據(jù)本文第2節(jié)的分析結(jié)果，直列4缸機未平衡的力和力矩只有二階往復(fù)慣性力和內(nèi)彎矩。取消平衡機構(gòu)后，二階往復(fù)慣性力無法平衡，只能通過減小內(nèi)彎距來改善發(fā)動機的平衡狀況。

圖4為該發(fā)動機原曲軸的模型，該曲軸在第1、4、5、8曲柄上設(shè)計有扇形平衡重。根據(jù)公式（12）可算出原來曲軸承受的最大內(nèi)彎距為1 566 N·m。

圖4 原曲軸三維模型

更改曲軸的平衡重設(shè)計，在第2、3、6、7曲柄上增加平衡重，對稱布置8個平衡重，且將平衡塊的扇形直徑由110 mm增加到112 mm（經(jīng)驗算，曲軸與其它零部件留有必要的間隙），同時將規(guī)則扇形改為不規(guī)則扇形，如圖5（a）所示，如此曲軸質(zhì)量將增加2.245 kg，與原始平衡塊相比，改進(jìn)后的平衡塊質(zhì)心外移約1.3 mm。改進(jìn)后的曲軸模型如圖5（b）所示。

根據(jù)公式（12）可算出更改后的曲軸承受的最大內(nèi)彎距為1 217 N·m，比原曲軸承受的內(nèi)彎距減小了22%。

圖5 改進(jìn)后的曲軸模型

試制一根改進(jìn)后的曲軸，并安裝到同一臺發(fā)動機上，在同一試驗臺架上進(jìn)行振動和噪聲測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 安裝改進(jìn)曲軸的發(fā)動機振動與噪聲測試結(jié)果

對比表2和表3的測試結(jié)果可知，使用改進(jìn)曲軸后的發(fā)動機的振動和噪聲水平介于原機帶平衡機構(gòu)和不帶平衡機構(gòu)之間。不帶平衡機構(gòu)時，使用改進(jìn)曲軸與使用原曲軸相比，高轉(zhuǎn)速時（2 300 r/min，2 000 r/min）振動情況改善不是很明顯，但在中低轉(zhuǎn)速時（1700 r/min，1400 r/min）振動烈度有一定程度的改善；相應(yīng)地，標(biāo)定點噪聲也有一定改善。

5 與規(guī)格類似產(chǎn)品的對比試驗

現(xiàn)在國內(nèi)市場上有一些4缸柴油機是不帶平衡機構(gòu)的。為了進(jìn)一步評價取消平衡機構(gòu)后該發(fā)動機的振動、噪聲水平，選取一臺4缸、4氣門發(fā)動機作為對標(biāo)發(fā)動機，在同一試驗臺架上進(jìn)行了外特性工況下的振動、噪聲測量。該對標(biāo)發(fā)動機的基本參數(shù)如表4所示，振動、噪聲試驗結(jié)果如表5所示。

A Study of Vibration and Noise Level of a Four-Cylinder Diesel Engine without Balance Mechanism

Xiao Hua, Liu Xinyan, Zhu Xiaotian
（Shanghai Diesel Engine Co., Ltd., Shanghai 200438, China）

Tests of vibrat ion and noise of a four-cylinder diesel engine with and without balance mechanism have been done. The crankshaft counterweight is improved based on the balance analysis. The noise of the engine with improved crankshaft is decreased, and the vibration doesn't show significant improvement at high speed, but it gets better to a certain extent at mediumand low speed.

diesel engine, balance mechanism, vibration, noise

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.02.004

來稿日期：2009-12-18

肖華（1981-），女，碩士研究生，主要研究方向為柴油機結(jié)構(gòu)設(shè)計。