柴油机平衡机构优化设计及性能分析

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3.0 陈辉 2024-11-19 11 4 3.45MB 73 页 15积分

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摘要

直列式四缸柴油机由于外形尺寸小，具有明显的匹配优势，应用越来越广泛。

但是由于其本身结构的特点，该型柴油机中的二级往复惯性力在四个缸中相互叠

加，引起直列式四缸柴油机的低频振动，对该型柴油机的应用造成不利影响。在

该型柴油机上加装二级平衡机构以减小由二级往复惯性力引起的振动，成为直列

式四缸柴油机的一个发展趋势。

本文针对 D4114 型直列式四缸柴油机，设计一双轴平衡机构完全平衡二级往

复惯性力，并进行柴油机的动平衡分析及润滑性能分析，研究工作主要包括以下

内容：

(1)基于对发动机运动学和动力学的分析，深入了解柴油机的内部振动激励

力特性，得出柴油机不平衡的往复惯性力、力矩和倾覆力矩等激励载荷。通过设计

一双轴平衡机构完全平衡二级往复惯性力。

(2)运用 ADAMS 软件，建立柴油机曲柄连杆机构的多体动力学仿真实体模型，

进行多刚体动力学仿真，从仿真结果中提取其二级往复惯性力、倾覆力矩、振动加

速度等，进一步分析柴油机的振动情况。

(3)通过对平衡机构的润滑工况作适当简化，建立润滑系统稳态线接触弹性

流体动力润滑模型，并对模型进行处理。用 MATLAB 软件编制程序，求得弹流润滑

模型的完全数值解，揭示该二级平衡机构润滑系统在各种工况下的油膜压力分布

与膜厚形状。

通过上述内容的研究，可以得到一个有效的二级平衡机构，达到降低柴油机

振动的目的。本课题的分析研究结果为同类产品以后的研究提供了有力的参考数

据和方法。

关键词：柴油机多体系统动力学曲柄连杆机构双轴式平衡弹

性流体动力润滑

ABSTRACT

The in-line four-cylinder diesel engine is more and more widely used because of its

compact size and obvious advantage of matching. However, due to its specialty of

machinery, the second order reciprocating inertial force of this kind of engine are added

together in its four cylinders. It induces low frequency vibration of the in-line four-

cylinder diesel engine and brings disadvantageous effect on this kind of engine.

Assembling second order balance mechanism on the engine in order to reduce the

vibration caused by second order reciprocating inertial force is becoming a

developmental tendency.

This paper make the certain for D4114 type four cylinder diesel engine for example

to design a multi-axial balancing mechanism completely balance second inertia force

and carry through active balance analyzing and lubrication properties analyzing. The

research contents are as follows.

1. To attain lopsided cycle inertia force and moment and overturning moment

through the kinematics and dynamics of the engine to analyze the interior vibration

exciting force characteristic of the diesel engine balance case. Through designing a

multi-axial balancing mechanism completely balance second inertia force.

2. To build the shaft multi-rigid body simulating model in ADAMS and attain the

capsizal moment and vibrational acceleration by the simulating result of the multi—

rigid body simulating. Further analysis of diesel engine vibration circumstances.

3. The work state of lubrication of the balance mechanism was predigested, and the

steady-state isothermal EHL model in line contacts of the balance mechanism was built.

This model was deal with. The EHL numerical solution calculating program is made up

by using latest numeric analyzing software MATLAB7.0, and by which the pressure

distribution and film thickness distribution of the lubrication system of this balance

mechanism are obtained.

A valid secondary balancing mechanism is obtained through the above content of

study. Meanwhile, it can get to reduce diesel engine vibration purpose. The study of the

analytical result in this dissertation provides a convincing referenced data for the later

research.

Key Word: diesel engine, multi-body system dynamics, crank and

connection rod mechanism, the double-shaft balance, elastic

hydrodynamic lubrication

目  录
中文
摘要
ABSTRACT
目  录.................................................................................................................................I
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
§1.1 课题的背景及意义...............................................................................................1
§1.2 往复惯性力平衡方式...........................................................................................2
§1.3 二级平衡机构研究现状.......................................................................................4
§1.3.1 国内研究现状分析........................................................................................4
§1.3.2 国外研究现状分析........................................................................................5
§1.4 发展趋势...............................................................................................................6
§1.5 本课题主要研究内容...........................................................................................9
第二章 柴油机平衡机构技术研究................................................................................10
§2.1 直列式四缸柴油机振动分析.............................................................................10
§2.1.1 直列式四缸柴油机中作用力系的基本力源分析......................................10
§2.1.2 直列式四缸柴油机激振力特点及平衡方式..............................................14
§2.2 二级平衡机构设计原理.....................................................................................16
§2.2.1 D4114 型柴油机二阶惯性力的平衡以及平衡块质量矩的确定...............17
§2.2.2 D4114 型柴油机惯性力矩的平衡...............................................................19
§2.2.3 D4114 型柴油机气体力矩的平衡...............................................................20
§2.2.4 多种工况下平衡机构布置方式的分析......................................................22
§2.2.5 D4114 型柴油机平衡机构布置方式的分析...............................................25
§2.3 D4114 直列式四缸柴油机总体方案设计及分析..............................................30
§2.3.1 平衡轴尺寸的确定......................................................................................30
§2.3.2 平衡块尺寸的确定......................................................................................31
§2.3.3 滑动轴承的计算..........................................................................................33
§2.4 本章小结.............................................................................................................35
第三章 曲柄连杆机构动力学仿真分析........................................................................36
§3.1 多刚体系统动力学分析基础.............................................................................36
§3.1.1 多刚体系统动力学建模原理......................................................................36
§3.1.2 ADAMS 多刚体系统动力学方程...............................................................36
§3.2 D4114 型柴油机多刚体系统动力学仿真..........................................................37
§3.2.1 柴油机曲柄连杆机构实体模型的建立......................................................37
§3.2.2 仿真结果分析..............................................................................................40
§3.3 本章小结.............................................................................................................42
第四章 二级平衡机构润滑系统分析............................................................................43
§4.1 平衡机构润滑系统弹性流体动力润滑模型的建立.........................................43
§4.1.1 基本假设......................................................................................................43

§4.1.2 基本方程......................................................................................................44
§4.1.3 基本方程的无量纲化..................................................................................47
§4.1.4 基本方程的离散化......................................................................................48
§4.1.5 边界条件......................................................................................................49
§4.1.6 计算流程与收敛准则..................................................................................50
§4.2 二级平衡机构润滑系统性能分析.....................................................................51
§4.2.1 弹流油膜的典型特征..................................................................................51
§4.2.2 二级平衡机构润滑系统不同转速下的计算结果及分析..........................52
§4.2.3 轴承间隙对润滑性能的影响......................................................................56
§4.3 本章小结.............................................................................................................57
第五章 试验设计............................................................................................................59
§5.1 二级平衡机构减振试验.....................................................................................59
§5.2 油膜厚度试验.....................................................................................................61
§5.3 本章小结.............................................................................................................63
第六章 结论与展望........................................................................................................64
附录.................................................................................................................................65
参考文献.........................................................................................................................71

第一章绪论

§1.1 课题的背景及意义

近年来我国汽车工业飞速发展，伴随而来的是对环保问题的关注，噪声问题

更是其中的重点。发动机振动产生的噪声是汽车噪声污染的重要源头之一，有关

降低发动机振动的技术受到越来越多的关注[1]。

一般汽车发动机产生的振动和噪声污染，主要危害如下：

（1）影响发动机的工作情况，破坏发动机的机械结构，降低发动机的使用

寿命，可靠性降低。

（2）振动耗费能量，增加了发动机的能源消耗，经济性降低。

（3）振动产生的噪声会影响汽车其他零部件的正常工作，破坏整车的工作

性能。在进行汽车检测时，还会影响检测的灵敏度。

（4）振动噪声会影响驾驶员的驾驶环境，增加交通事故率，安全性降低。

因此，加大对发动机减振技术的研究力度，改进设计新型低振动性能的发动

机已成为现今汽车工业发展的新需求，各生产部门、研发机构都已加大投入，高

度重视。

现今汽车发动机的种类繁多，常用的汽车发动机有直列式四缸发动机、直列

式六缸发动机、V型六缸发动机、V型八缸发动机等。其中，直列式四缸柴油机具有

长度较小，对安装尺寸要求较低，制造成本较低，低速扭矩特性较好，燃料消耗

较少等特点，在很多领域应用广泛。例如大型机械领域、大型客车领域、普通级轿

车领域等[2]。此外，对现有的直列式六缸发动机进行改进，以满足用户的新需求和

市场的新竞争形势，生产直列式四缸柴油机不失为一种新方法，新思路。可以预

见，直列式四缸柴油机必将得到越来越广泛的应用。

直列式四缸柴油机的振动情况与其它常用发动机（如六缸发动机）相比较大，

其中二级往复惯性力是主要激振力源，该激振力是使得发动机产生振动及噪声的

主要原因。要想降低六缸发动机的振动情况，仅仅依靠对发动机自身的设计就可

满足平衡条件。但直列式四缸柴油机的结构特点使得单一的自身设计不能满足平

衡要求，需要进行新的改进设计。目前国内外的主要方法是装置二级平衡机构，

以此来减轻或消除这个问题。装置二级平衡机构后的直列式四缸柴油机减振效果

较好，大多已商业化生产。表1-1为直列式四缸发动机与六缸机的往复惯性力的谐

量比较。从表中可以看出，直列式四缸发动机的往复惯性力的谐量比六缸机的往

复惯性力的谐量要大很多，尤其是二级往复惯性力和四级往复惯性力，表现较为

明显。

表1-1 直列式四缸发动机与六缸机的往复惯性力的谐量比较

一级二级三级四级备注

直列四缸机 0 4 0 0.088 发火顺序1-3-4-2

柴油机平衡机构优化设计及性能分析

直列六缸机 0000 发火顺序1-5-3-6-2-4

本文研究的柴油机平衡机构是针对上海柴油机股份有限公司的D4114直列式

四缸柴油机二级平衡机构。D4114型柴油机是在D6114系列柴油机的基础上进行改

进设计，最终研发成功的，广泛适用于中型载货汽车、中型客车等领域。D4114型

柴油机的性能指标先进、动力性强劲，且振动及噪声小、油耗低、机械结构精巧，

安全性和可靠性提升较大[3]。面对激烈的市场竞争，改进直列四缸柴油机的振动及

噪声情况是提升产品竞争力的最有效方法之一，因此需要加大D4114型柴油机二

级平衡机构的开发力度。表1-2为D4114型柴油机的基本参数[4]。

表1-2 D4114 型柴油机的基本参数

项目数据项目数据

气缸直径D 114mm 曲柄半径 R 65mm

活塞行程 S 130mm 连杆长度L 216mm

最低燃油消耗率 Gmin 204 标定功率 Ne 132kw

标定转速ｎ2266r/min 压缩比 ε 17.8

排放标准 EUROⅡ扭矩储备系数 1.20

活塞组质量 2.839kg 相邻两曲柄间距离 134mm

连杆小头质量 0.852kg 发火顺序1-3-4-2

连杆大头质量 2.473kg 柴油机总重量776.7kg

§1.2 往复惯性力平衡方式

关于发动机往复惯性力的平衡，主要有以下几种平衡方式：

（1）平衡块平衡机构

平衡块平衡机构在发动机前后端安装偏心轮束，平衡块对称布置，以两倍的

发动机曲轴转速旋转，两个平衡块的运转方向相同，与曲轴的旋转方向相反，以

此实现对二级往复惯性力的平衡。图1-1所示为平衡块平衡机构的简图。

第一章绪论

图l-1 平衡块平衡机构

（2）单轴平衡机构

单轴平衡机构是将平衡二级往复惯性力所需要的偏心质量均布于偏心轴段的

平衡方式，平衡轴纵贯整个机体，由多点支撑。其特点是只有一根平衡轴，结构

简单，主要适用于单缸机[5]。图1-2为单轴平衡机构的简图。

图1-2 单轴平衡机构

（3）双轴平衡机构（二级平衡机构）

双轴平衡机构一般是以两倍于曲轴转速的平衡块组成。两平衡块的转向相反，

在水平方向不起作用。而两个垂直分力总是与二级往复惯性力大小相等，方向相

反，互相平衡。其特点是有两根平衡轴，分布在发动机的两侧[6]。图1-3为经典的双

轴平衡机构的简图。

柴油机平衡机构优化设计及性能分析

图1-3 二级平衡机构

§1.3 二级平衡机构研究现状

§1.3.1 国内研究现状分析

国内的传统四缸柴油机设计大多没有平衡机构，随着近年来国外汽车厂商的

进入，越来越多的汽车生产企业意识到了发动机平衡机构的重要性，更多的新型

平衡机构设计思路被拓展出来。

图1-4 粗—细双轴平衡机构示意图

樊文欣，张保成等在2005年，提出了“粗—细双轴”平衡的新概念[7]，如图

1-4所示。“粗—细双轴”平衡机构在传统的双轴平衡机构基础上，将两侧的平衡

轴分别设计为不同的粗细，较粗平衡轴的偏心轴截面积大于较细平衡轴的偏心轴

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摘要：

摘要直列式四缸柴油机由于外形尺寸小，具有明显的匹配优势，应用越来越广泛。但是由于其本身结构的特点，该型柴油机中的二级往复惯性力在四个缸中相互叠加，引起直列式四缸柴油机的低频振动，对该型柴油机的应用造成不利影响。在该型柴油机上加装二级平衡机构以减小由二级往复惯性力引起的振动，成为直列式四缸柴油机的一个发展趋势。本文针对D4114型直列式四缸柴油机，设计一双轴平衡机构完全平衡二级往复惯性力，并进行柴油机的动平衡分析及润滑性能分析，研究工作主要包括以下内容：(1)基于对发动机运动学和动力学的分析，深入了解柴油机的内部振动激励力特性，得出柴油机不平衡的往复惯性力、力矩和倾覆力矩等激励载荷。通过设计一双...

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