114系列柴油机改型设计中的减振研究

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3.0 牛悦 2024-11-07 14 4 2.81MB 64 页 15积分

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114 系列柴油机改型设计中的减振研

究

摘要

振动是往复式内燃机的重要问题之一，大量的研究表明直列四缸柴油机工作

中所产生的不平衡往复惯性力和倾覆力矩是引起其振动的主要激振力源，而其结

构特点决定了它不能凭本机的平衡来消除主要激振力源的影响。

本文主要工作是为了提高某 114 系列直列四缸柴油机的性能，从控制振动噪

声的角度出发，进行了减振研究。在分析直列四缸柴油机的运动学和动力学的基

础之上，得到了引起直列四缸机振动的不平衡往复惯性力和倾覆力矩等主要激振

力源，为了克服直列四缸柴油机的振动，经过分析多工况下不平衡往复惯性力和

倾覆力矩的变化规律，设计了平衡机构来抑制或消减直列四缸柴油机主要激振力

源，使其实现内部的动态平衡，以尽可能降低机体的振动为目标，得到了直列四

缸柴油机机体振动最小时的最佳平衡方案。

为了更深刻的认识直列四缸柴油机的振动状况，本文用 ADAMS 分析所设计

的平衡轴系统对柴油机振动的影响，通过仿真与分析，结果显示所设计的方案达

到了预期的减振效果，所设计的平衡轴系统能抑制或消除不平衡的往复惯性力和

倾覆力矩的影响。

本文所设计的平衡机构采用动压润滑，建立了等温线接触牛顿流体弹流动力

润滑模型，并采用多重网格法来求解弹流润滑模型，获得了润滑系统的工作状态

油膜压力分布和膜厚形状，确定了在轴颈处开设油孔的最佳部位。

本文对柴油机的减振研究具有重要意义，对发动机设计和制造具有较大的实

用价值。

关键词：四缸柴油机双轴平衡减振弹流润滑

ABSTRACT

Vibration is one of the most important problems of reciprocating internal

combustion engine. The lopsided reciprocating inertia force and capsized moment

generated in the in-line 4-cylinder diesel are the main excitation source of vibration.

However, the structure features of the in-line 4-cylinder diesel determine that it can not

eliminate the influence of the main excitation source of vibration by itself.

The main work of this paper is to improve the performance of 114 series in-line 4-

cylinder diesel. From the point of view for vibration and noise control, this paper study

on the vibration reduction of the in-line 4-cylinder diesel. Firstly, this paper analyses

kinematics and dynamics of the in-line 4-cylinder diesel, and then get reciprocating

inertia force and capsized moment which result in the vibration based on the analysis. A

balance shaft system designed to restrain or eliminate the main excitation source

through the analysis of the rule of reciprocating inertia force and capsized moment. That

is to implement dynamic balance of internal and cope with the vibration. The optimum

balance project corresponding to minimum engine body vibration was found out

through a series of analysis upon reducing vibration.

In order to know the vibration status of the in-line 4-cylinder diesel betterly, this

paper uses the ADAMS model analysis the influence of balance shaft system to the

diesel. As a matter of fact, the balancing project achieves the anticipated effect of

vibration reduction by simulating and analysis. The balance shaft system can restrain or

eliminate the influence of reciprocating inertia force and capsized moment.

Dynamic lubrication is adopted for the balance mechanism. The steady-state

isothermal elastohydrodynamic lubrication model in line contacts of the balance

mechanism was built. The pressure distribution and film thickness shape of the

lubrication system of this balance mechanism are obtained based on multigrid

method.The best area of oil hole was achieved in the axle journal of balance shaft.

It is of great practical value in diesel vibration reduction, and has certain reference

value in diesel design and manufacture.

Key Words: 4-cylinder diesel, two-shaft balance device, vibration

reduction, elastohydrodynamic lubrication

目  录
中文
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
§1.1 课题的背景及意义............................................................................................1
§1.2 国内外直列四缸柴油机平衡机构研究现状....................................................2
§1.1.1 国外研究现状..........................................................................................2
§1.1.2 国内研究现状..........................................................................................4
§1.3 柴油机平衡机构技术的发展趋势....................................................................5
§1.4 本文主要研究内容............................................................................................6
第二章 直列四缸柴油机的不平衡力和力矩..................................................................7
§2.1 D114 型单缸机的运动学和动力学分析...........................................................7
§2.1.1 D114 型单缸机的运动学分析.................................................................7
§2.1.2 D114 型单缸机的动力学分析.................................................................9
§2.2 D114 型单缸机的气体力矩和惯性力矩.........................................................12
§2.3 直列四缸柴油机的惯性力..............................................................................18
§2.4 直列四缸柴油机的力矩..................................................................................19
§2.5 本章小结..........................................................................................................22
第三章 双平衡轴机构的设计与分析............................................................................23
§3.1 双平衡轴机构布置方式..................................................................................23
§3.1.1 直列四缸柴油机往复惯性力及惯性力矩的平衡................................23
§3.1.2 直列四缸柴油机气体力矩的平衡........................................................25
§3.2 双平衡轴机构在多工况的布置方式..............................................................27
§3.3 双平衡轴机构的方案设计及分析..................................................................31
§3.3.1 总体方案................................................................................................31
§3.3.2 平衡块的设计........................................................................................32
§3.4 D114 系列直列四缸柴油机多刚体系统动力学仿真与分析.........................35
§3.4.1 柴油机多刚体系统模型的建立............................................................35
§3.4.2 仿真结果分析........................................................................................37
§3.5 本章小结..........................................................................................................38
第四章 双平衡轴机构润滑系统的建立和性能分析....................................................39
§4.1 润滑系统的建立..............................................................................................39
§4.1.1 基本假设和求解方法............................................................................39
§4.1.2 基本方程及其边界条件........................................................................40
§4.1.3 基本方程的无量纲化............................................................................40
§4.1.4 基本方程的离散....................................................................................41
§4.2 数值求解分析..................................................................................................42
§4.3 润滑系统的性能分析......................................................................................44
§4.4 机构轴的设计分析..........................................................................................46
§4.4.1 机构轴的孔心轨迹计算........................................................................46
§4.4.2 机构轴的设计........................................................................................49

§4.5 本章小结..........................................................................................................50
第五章 试验设计............................................................................................................51
§5.1 双平衡轴机构的减振实验设计......................................................................51
§5.2 润滑系统的油膜厚度实验设计......................................................................52
§5.3 本章小结..........................................................................................................53
第六章 结论与展望........................................................................................................54
§6.1 总结..................................................................................................................54
§6.2 展望..................................................................................................................55
符号表.............................................................................................................................56
参考文献.........................................................................................................................57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................60
致 谢................................................................................................................................61

第一章绪论

§1.1 课题的背景及意义

自RudolfDiesel 于19 世纪末研制出第一台柴油发动机以来，至今柴油机的历

史已经有一个多世纪。伴随着不断进步的科学技术，柴油机得到了日积月累的技

术改进，在交通运输等要求日益提高的时代，柴油机广泛地应用在车辆和工程机

械等领域，柴油机正朝着高速轻型而不失低噪音和低振动的方向发展，为了适应

新时代环保要求的变化，要不断的提高柴油机的噪声、振动和舒适性等性能，以

满足现时代的市场要求。发动机的振动和噪声水平已成为发动机综合性能的重要

考评指标之一[1]。

车用发动机的振动是重要的噪声污染源之一，其振动常常会导致较大的危害。

不但会使机器设备的可靠性和使用性能大打折扣，而且会破坏与其相关的设备，

如仪器和仪表等，从而影响机器的正常工作。甚至会对环境造成噪声污染，恶化

工作环境，使人们的工作效率降低，影响人——机系统的总体性能[2-4]。所以，工

作状态平衡且具有良好的低振动和低噪声性能的柴油机成为市场发展的需要。

现代汽车发动机要求动力性能和振动与噪声性能良好，四缸柴油机在制造成

本、重量、尺寸、排放控制和燃烧效率等方面要优于六缸机。在那些条件苛刻的应用

场合，如发动机后置式客车等，因对发动机的高度和宽度的相应要求较高，但扭

矩和动力性能又能达到技术要求，故外形尺寸相对较小的四缸柴油机是一种理想

的匹配机型。另外，从近年的国内汽车行业发展形势来看，5T 左右的载货汽车、7

～9米的中型客车发展较快。为使用户的选择能灵活多变，在成熟的六缸柴油机技

术平台基础上，生产直列四缸柴油机来拓展市场是一种满足需求的途径，故直列

四缸柴油机应用越来越广泛[5,6]。

直列四缸柴油机运转时产生的激振力和力矩主要是曲柄连杆机构的往复惯性

力及力矩、旋转惯性力及其力矩、输出转矩不均匀性引起的倾覆力矩、曲轴和机体

弹性变形引起的力矩和工作过程中的气体脉冲力[7]。其中由曲柄连杆机构的往复运

动产生的二阶往复惯性力以及倾覆力矩引起的振动较为严重，而直列四缸柴油机

无法像六缸机或八缸机那样通过自身的结构设计来平衡掉引起振动的二阶往复惯

性力以及倾覆力矩，需要进行合适的平衡机构系统改型设计来达到减振的目的，

这样才能消除或降低直列四缸柴油机的振动。所以，研究在直列四缸柴油机的机

114 系列柴油机改型设计中的减振研究

体上设计和安装平衡机构系统来降低柴油机的振动具有极其重要的意义。

§1.2 国内外直列四缸柴油机平衡机构研究现状

§1.1.1 国外研究现状

20世纪初，兰契斯特博士(Frederick Lanchester)发明了通称为兰契斯特调谐平

衡的二次惯性力双轴平衡机构，并取得了兰氏平衡机构专利。其基本原理是在垂

直平面内使平衡重离心力方向与二次惯性力相反，以抵消最大的二次惯性力，而

在水平平面内两个平衡重的离心力方向相反，彼此抵消[8]。在直列四缸柴油机上设

计和安装适合本机的兰氏平衡机构不可否定是一种有效的减振措施，即平衡机构

对称于曲轴的中心，并且等高布置，双轴平衡机构并以两倍于曲轴转速旋转，且

两根平衡轴的转向相反，如图1-1(a)所示[9]。

经过近几十年来的技术发展，兰氏平衡机构有了新的创造和发展。上世纪七

十年代之后，为适应新时代的技术革新的要求，并为满足柴油机更高的性能要求

改进型的兰氏平衡机构被研制出来，其主要的特点是两根平衡轴的布置方式与传

统的兰氏平衡机构有所不同，即布置方式为对称于曲轴中心而不等高。这种平衡

机构不但可以将二阶往复惯性力平衡掉，还可以将倾覆力矩部分平衡掉，如图1-

1(b)所示[10,11]。这样，在双轴平衡机构的平衡技术成功应用于直列式四缸柴油机的

积极带动下，国外的大多数直列式四缸机都设计和安装了适合本机的双轴平衡机

构，以满足市场的需求。如表1-1所示[12]。

a:传统的兰氏平衡机构 b:改进的兰氏平衡机构

图1-1 传统兰氏平衡机构与改进的兰氏平衡机构示意图

由表1-1 可知，国外除日本日野公司的JO5C 没有采用二阶平衡机构方案外，

大部分四缸柴油机都采用了，新推出的四缸柴油机油机 Ford DOHC2.3 88/86，即

缸径为86mm 的四缸柴油机也采用精心设计和研制的二阶平衡机构（图 1-2），

此型号的发动机是在成熟的发动机型 2.0L-DOHC 上研制的，相比其未采用平衡机

构的相关型号的发动机，使得振动和噪声大大降低。经过实际的整机检验，其噪

声水平下降了 60%，振动烈度下降了 70%[13,14] 。由此可见，在柴油机上设计和安

装平衡机构所带来的减振和降噪的效果是非常明显。

表1-1 国外四缸柴油机平衡措施

公司机型缸数缸径

冲程

排量

功率

二级平衡

机构

urmins 4BT L4 102 120 3.92 88 有

第一章绪论

CAT CAT3304B L4 120 154.2 7.05 123 有

三菱4M50 L4 114 120 4.90 129 有

日野 J05C L4 114 130 5.31 107 无

三菱4M40 L4 95 100 2.84 69 有

丰田 IKZ-TE L4 93 103 2.80 96 有

PERKINS Phaser100t L4 100 127 3.99 79 无

PERKINS 1004-4THR L4 100 127 3.99 75 有

奔驰 OM904LA L4 102 130 4.25 125 有

DEUTZ TD226B L4 105 120 4.16 87 有

五十铃 4JX1TC L4 95.4 104.9 3.00 118 有

FORD DOH2.3 L4 86 86 2.00 108 有

另外，对已经存在的且排量至少为2000ml 的四缸柴油发动机，为满足日益

严格的环保要求，也在原机型上补充设计和加装二阶平衡机构，以达到减轻或者

是消除振动和噪声的效果。同时，这还发展了一种新的研究和设计思想，即在原

研制和新研制中采用平衡机构的柴油机，大部分可以采用全长式平衡机构。

图1-2 Ford DOHC2.3 88/86 四缸柴油机的二阶平衡机构示意图

此外，为了在更大程度了的抑制或者是消除直列四缸柴油机的振动和噪声，

意大利学者Carlo Innocenti 还研究了三轴平衡机构用来降低柴油机的振动。如图 1-

3所示[15]。

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摘要：

114系列柴油机改型设计中的减振研究摘要振动是往复式内燃机的重要问题之一，大量的研究表明直列四缸柴油机工作中所产生的不平衡往复惯性力和倾覆力矩是引起其振动的主要激振力源，而其结构特点决定了它不能凭本机的平衡来消除主要激振力源的影响。本文主要工作是为了提高某114系列直列四缸柴油机的性能，从控制振动噪声的角度出发，进行了减振研究。在分析直列四缸柴油机的运动学和动力学的基础之上，得到了引起直列四缸机振动的不平衡往复惯性力和倾覆力矩等主要激振力源，为了克服直列四缸柴油机的振动，经过分析多工况下不平衡往复惯性力和倾覆力矩的变化规律，设计了平衡机构来抑制或消减直列四缸柴油机主要激振力源，使其实现内部的动...

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