左云 冀曉棟 于鵬飛 李佳 孫富強(qiáng) 宋清哲

（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)平衡軸抱軸問(wèn)題的分析與解決

左云1，2冀曉棟1，2于鵬飛1，2李佳1，2孫富強(qiáng)1，2宋清哲1，2

（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

平衡軸系統(tǒng)配合間隙的設(shè)計(jì)要考慮形狀公差及位置公差、材料線(xiàn)膨脹系數(shù)等因素的綜合影響，考慮不全面會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工作的配合間隙不合理，過(guò)大或者過(guò)小都可能導(dǎo)致抱軸問(wèn)題的發(fā)生。優(yōu)化配合間隙能夠有效地解決抱軸問(wèn)題，但需要重新評(píng)價(jià)對(duì)整機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)、NVH性能的影響并加以驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：間隙的優(yōu)化有效解決了平衡軸抱軸問(wèn)題，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)油壓、NVH性能帶來(lái)影響在可接受的范圍內(nèi)。

平衡軸抱軸配合間隙NVH潤(rùn)滑系統(tǒng)

引言

隨著人們對(duì)汽車(chē)舒適性要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的減振降噪變得尤為重要，平衡軸作為一種重要的振源控制機(jī)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用。相對(duì)平衡軸系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能的貢獻(xiàn)度而言，平衡軸系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)被人們所忽視，比如說(shuō)配合間隙的設(shè)計(jì)。本文結(jié)合某四缸增壓直噴汽油機(jī)平衡軸抱軸問(wèn)題的分析與解決過(guò)程，較為詳細(xì)地分析與驗(yàn)證了平衡軸系統(tǒng)配合間隙的設(shè)計(jì)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)、NVH性能及可靠性的影響[1～4]。

1 平衡軸的應(yīng)用

直列式內(nèi)燃機(jī)存在著不平衡的旋轉(zhuǎn)慣性力和力矩、不平衡的往復(fù)慣性力和力矩以及傾覆力矩。忽略高次的影響，四沖程直列四缸機(jī)存在不平衡的二次往復(fù)慣性力，它可以用以曲軸旋轉(zhuǎn)角速度2倍旋轉(zhuǎn)的正、反轉(zhuǎn)軸加以平衡。本文涉及的直列四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)（基本參數(shù)見(jiàn)表1）采用上述方法對(duì)二次往復(fù)慣性力進(jìn)行平衡，同時(shí)為了減輕曲軸的內(nèi)力矩，減輕軸承載荷，該曲軸設(shè)置8平衡重，其布置形式見(jiàn)圖1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)形式

1.1 平衡軸布置及結(jié)構(gòu)形式

該發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡軸采用LAN Chester式布置形式，兩根平衡軸高度錯(cuò)開(kāi)（h1＞h2），分別布置在缸體兩側(cè)，平衡二次往復(fù)慣性力，其布置形式見(jiàn)圖2。

圖2平衡軸布置形式

圖3 為一側(cè)平衡軸裝配后的剖面圖，平衡軸通過(guò)套筒安裝在缸體平衡軸安裝孔內(nèi)，套筒通過(guò)螺栓固定在缸體上，套筒相對(duì)缸體靜止，起支撐軸承和止推軸承的作用，平衡軸采用強(qiáng)制潤(rùn)滑方式。

圖3 裝配剖面圖

1.2 抱軸問(wèn)題的描述

發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行臺(tái)架磨合試驗(yàn)時(shí)，首次運(yùn)行4200 r/min、50%油門(mén)開(kāi)度，扭矩、機(jī)油壓力直線(xiàn)下降，同時(shí)傳出機(jī)械異響，停機(jī)檢查未發(fā)現(xiàn)明顯故障，盤(pán)車(chē)檢查，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。圖4為問(wèn)題發(fā)生過(guò)程時(shí)臺(tái)架監(jiān)控的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、主油道機(jī)油壓力數(shù)據(jù)。

圖4 扭矩、機(jī)油壓力突降曲線(xiàn)

對(duì)問(wèn)題發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)左側(cè)平衡軸抱死，對(duì)總成進(jìn)行線(xiàn)切割，見(jiàn)圖5。

圖5 左側(cè)平衡軸剖切照片

2 問(wèn)題分析排查

2.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)排查

排查臺(tái)架數(shù)據(jù)，在問(wèn)題發(fā)生前發(fā)動(dòng)機(jī)共運(yùn)轉(zhuǎn)13 h，臺(tái)架檢測(cè)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)任何異常，油溫、油壓均滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)要求。進(jìn)一步排查，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位在機(jī)油標(biāo)尺上下刻度之間，機(jī)油泵無(wú)卡滯，油道無(wú)堵塞；試驗(yàn)前各零部件均進(jìn)行過(guò)清洗以及清潔度測(cè)試。

排除由于潤(rùn)滑系統(tǒng)異常導(dǎo)致平衡軸系統(tǒng)潤(rùn)滑不良而抱軸的可能性。

2.2 零部件質(zhì)量排查

復(fù)檢同批次的平衡軸及缸體，對(duì)裝機(jī)前檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)檢測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效，所有零部件滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)配合間隙進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 平衡軸配合間隙實(shí)際測(cè)量值mm

通過(guò)對(duì)平衡軸數(shù)據(jù)的確認(rèn)及缸體的檢測(cè)，確定平衡軸及缸體配合尺寸滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，排除零部件質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致平衡軸抱軸問(wèn)題的發(fā)生。

2.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)排查

對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程文件進(jìn)行排查，設(shè)計(jì)文件中進(jìn)行了配合間隙的計(jì)算，但在校核配合間隙時(shí)未考慮各軸頸的形狀公差，相對(duì)軸頸之間的位置公差，材料線(xiàn)脹系數(shù)的影響。

2.3.1 設(shè)計(jì)間隙的影響

表3為平衡軸設(shè)計(jì)配合間隙及形狀、位置公差要求。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在極限配合（最小配合間隙、最大同軸和圓柱度）情況下，套筒與平衡軸配合間隙幾乎為0。對(duì)于滑動(dòng)軸承，配合間隙過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生臨界摩擦，同時(shí)考慮工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的變形，導(dǎo)致平衡軸在高速時(shí)由于配合間隙過(guò)小而抱軸。

表3 設(shè)計(jì)配合間隙及形位公差要求mm

2.3.2 零部件材料的影響

套筒材料為ADC12，缸體材料為HT250，平衡軸材料為QT600，套筒的線(xiàn)膨脹系數(shù)為缸體和平衡軸的兩倍以上，見(jiàn)表4。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，軸承工作溫度升高，套筒受熱膨脹，由于套筒與缸體配合間隙小，膨脹空間有限，在熱應(yīng)力的作用下套筒內(nèi)孔變小，軸與套筒的配合間隙減小，不利于油膜的形成，局部會(huì)發(fā)生邊界摩擦甚至干摩擦，溫度會(huì)因摩擦產(chǎn)生的熱量不能被潤(rùn)滑油及時(shí)帶走而急劇升高，將會(huì)因摩擦熱致使鋁套內(nèi)壁拉毛，直至燒熔而抱死。

表4 材料線(xiàn)膨脹系數(shù)α

2.4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)、零部件質(zhì)量、設(shè)計(jì)配合間隙進(jìn)行排查，確定導(dǎo)致本次平衡軸抱軸問(wèn)題的真正原因?yàn)椋?/p>

1）現(xiàn)有配合間隙設(shè)計(jì)偏小，未考慮各軸頸的形狀公差、相對(duì)軸頸之間的位置公差的影響，尤其是材料線(xiàn)脹系數(shù)的影響；

2）套筒與缸體的線(xiàn)脹系數(shù)差異比較大，致使冷態(tài)與熱態(tài)情況下配合間隙的差異較大。

3 整改方案制定及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)以上分析結(jié)果，提出以下整改方案，同時(shí)重新對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)、整機(jī)NVH性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。

方案一：增大軸承的配合間隙；

方案二：對(duì)軸承結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行更改，減小配合零部件之間的材料線(xiàn)膨脹系數(shù)差異。

3.1 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合設(shè)計(jì)整改對(duì)開(kāi)發(fā)周期、產(chǎn)品成本等因素的綜合考慮，確定采用方案一來(lái)解決平衡軸抱軸問(wèn)題。增大平衡軸與缸體的配合間隙，為套筒受熱膨脹提供空間；增大平衡軸與套筒的配合間隙，保證在極限情況下的軸承間隙，更改前后的配合間隙數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 更改前后配合間隙mm

3.2 配合間隙增大對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)影響的分析

配合間隙的增大會(huì)引起泄油量的增加，在同等條件下，系統(tǒng)的機(jī)油壓力會(huì)有不同程度的降低，對(duì)配合間隙更改前后的主油道機(jī)濾后位置、缸體主油道末端、缸蓋主油道末端機(jī)油壓力進(jìn)行檢測(cè)。圖6為配合間隙增大后系統(tǒng)機(jī)油壓力的降低值，最大壓降為缸蓋末端21.5kPa，出現(xiàn)在5000r/min。

圖6 配合間隙更改前后機(jī)油壓力對(duì)比

平衡軸配合間隙增大后，使系統(tǒng)機(jī)油壓力有所降低，但降低后的機(jī)油壓力仍滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 配合間隙增大對(duì)NVH性能影響的分析

對(duì)于滑動(dòng)軸承，當(dāng)軸承間隙增大時(shí)，油膜壓力和軸承的軸心軌跡將發(fā)生較大的變化，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體振動(dòng)加劇，噪聲增大。對(duì)更改前后最大配合間隙的平衡軸在整機(jī)上的表現(xiàn)進(jìn)行了振動(dòng)和噪聲的測(cè)試。

圖7為配合間隙增大后發(fā)動(dòng)機(jī)總振動(dòng)級(jí)增加值，峰值出現(xiàn)在5000r/min附近，幅值為0.597g；圖8為配合間隙增大后發(fā)動(dòng)機(jī)一米聲壓級(jí)增大值，峰值出現(xiàn)在5000r/min附近，幅值為0.991 dB（A）。

圖7 配合間隙增大后總振動(dòng)級(jí)增加值

圖8 配合間隙增大后一米聲壓級(jí)增加值

增大配合間隙后，振動(dòng)、噪聲均增大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能有所劣化，但滿(mǎn)足一米聲壓級(jí)≤98 dB（A）的設(shè)計(jì)要求，可以接受。

4 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)更改后的平衡軸最大、最小配合間隙進(jìn)行400 h可靠性驗(yàn)證，根據(jù)《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》對(duì)試驗(yàn)后平衡軸磨損情況進(jìn)行判定，屬于摩擦表面一般磨損分類(lèi)中的B類(lèi)，輕度磨損。需要借助高精度圓柱度儀才能測(cè)出磨損量，見(jiàn)圖9。最小配合間隙磨損量≤4 μm，最大配合間隙磨損量≤2.5 μm。

圖9 完成可靠性后軸承檢測(cè)數(shù)據(jù)

配合間隙增大后的最大最小配合間隙均滿(mǎn)足整機(jī)的可靠性要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)增大配合間隙方案能夠有效地解決平衡軸抱軸問(wèn)題，雖然為系統(tǒng)機(jī)油壓力及整機(jī)NVH性能帶來(lái)負(fù)面影響，但均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且通過(guò)了可靠性的試驗(yàn)驗(yàn)證。相對(duì)結(jié)構(gòu)、材料的更改所帶來(lái)的周期及成本問(wèn)題，該方案直接有效。配合間隙更改進(jìn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于平衡軸開(kāi)發(fā)過(guò)程中配合間隙設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累有著很重要的意義。

1龐劍，諶剛，何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006

2李雙虎.平衡軸機(jī)構(gòu)在機(jī)械振源控制中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（4）：128～132

3楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981

4張保成，蘇鐵熊，張林仙.內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009

The Analysis and Solution of Balance Shaft Journal Sticking for a Four Cylinder Engine

Zuo Yun1，2，Ji Xiaodong1，2，Yu Pengfei1，2，Li Jia1，2，Sun Fuqiang1，2，Song Qingzhe1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center）

The comprehensive influence of form tolerance，position tolerance，linear expansion coefficient of material and other factors should be considered during the design of fit clearance.Incomplete consideration will result that the fit clearance in real work has too much deviation with theoretical calculation，which can lead to journal sticking.The changing of fit clearance can effectively solve journal sticking，but it also has some negative effects to lubrication system and NVH performance of complete engine.The design change needs detailed verification.

Balance shaft，Journal sticking，F(xiàn)it clearance，NVH，Lubrication system

TK421

A

2095-8234（2014）-0049-04

2014-05-22）

左云（1987-），男，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。