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1、直列四缸柴油機(jī)二階往復(fù)慣性力平衡機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)研究 鄭忠法 鄭國(guó)世 〔東風(fēng)汽康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)，湖北 襄樊 441004〕 【摘要】本文介紹了二階往復(fù)慣性力平衡機(jī)構(gòu)在EQB140-11直列四缸四沖程柴油機(jī)上的試驗(yàn)研究成果。證明二階往復(fù)慣性力平衡機(jī)構(gòu)可以大幅度地降低直列四缸四沖程柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲。 關(guān)鍵詞：二階往復(fù)慣性力 平衡機(jī)構(gòu) 直列四缸四沖程柴油機(jī) 振動(dòng)噪聲 Development research for inline four cylinders diesel engine with second order reciprocating balancer Zheng

2、Zhongfa, Zheng Guoshi (Diesel Engine Company of DongFeng Automobile Corp.Ltd., Xiangfan 441004, China) Abstract: This paper introduces the test results of inline four cylinders and four strokes diesel engine EQB140-11 with two shafts second order reciprocating inertial force balancer which can r

3、educe the engine vibration and noise satisfactorily. Key words: The second order reciprocating inertial force; Two shafts balancer; Inline four cylinders and four strokes diesel engine; Vibration and noise. 1、引 言 EQB140-11直列四缸柴油機(jī)裝配在EQ1061G系列載貨車(chē)及其變形車(chē)上，充分發(fā)揮了該柴油機(jī)的強(qiáng)勁動(dòng)力，而且還表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性，為此，EQ1061G系列載貨車(chē)受到

4、廣闊用戶的歡送和喜愛(ài)。但是，EQB140-11直列四缸柴油機(jī)應(yīng)用于中型豪華客車(chē)時(shí)，那么出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)稍大的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置裝置傳遞到客車(chē)底盤(pán)上，給乘客帶來(lái)不愉快的感受。因此，有必要研究EQB140-11直列四缸柴油機(jī)的振動(dòng)及其噪聲問(wèn)題，使之降低到滿足中型豪華客車(chē)的使用要求。 2、平衡裝置開(kāi)發(fā) 2.1 EQB140-11柴油機(jī)的根本參數(shù) 詳見(jiàn)表1。 表1 型 號(hào) EQB140-11〔滿足歐1排放法規(guī)〕 額定功率/轉(zhuǎn)速〔kW/r/min〕 103/2600 最大扭矩/轉(zhuǎn)速〔N·m/r/min〕 450/1500 最低比油耗〔g/kW·h〕 210 缸徑×沖程

5、〔mm〕 102×120 總排量/氣缸數(shù)〔L〕 結(jié)構(gòu)特征 直列、水冷、四沖程、直噴式、頂置二氣門(mén) 進(jìn)氣方式 增壓空對(duì)空中冷 著火順序 1-3-4-2 曲柄排列 平面布置 旋轉(zhuǎn)方向〔前端看〕 順時(shí)針 低怠速〔r/min〕 750 高怠速〔r/min〕 2900 2.2 二階往復(fù)慣性力的來(lái)源 對(duì)于直列四缸四沖程曲柄平面布置的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)理論可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的二階往復(fù)慣性力自身不能平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)平衡特性系數(shù)高達(dá)4.0，在四沖程直列多缸柴油機(jī)中，二階往復(fù)慣性力的平衡特性系數(shù)最高。而對(duì)外不能平衡的二階往復(fù)慣性力是發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生低頻振動(dòng)的主要原因之一。

6、 2.3 EQB140-11柴油機(jī)二階往復(fù)慣性力的平衡方法 2.3.1 EQB140-11柴油機(jī)的原始參數(shù) 往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量： 活塞和活塞環(huán)總質(zhì)量： 1.2 kg 活塞銷(xiāo)： 0.58 kg 連桿小頭當(dāng)量質(zhì)量： 0.58 kg 往復(fù)運(yùn)動(dòng)總質(zhì)量：G=1.2+0.58+0.58 = 2.36 kg 活塞沖程： S=120 mm 曲柄半徑： R=60 mm 連桿長(zhǎng)度： L=192 m 曲柄連桿比： λ 發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速： n=2600 r/min 發(fā)動(dòng)機(jī)角速度： ω=nπ/30=2600× 2.3.2 計(jì)算二階慣性力 往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力計(jì)算公式，二階以上忽略：

7、 PQ=G/g*R*ω2*〔Cos+λCos2〕 翻開(kāi)括?。?PQ= 其中： = G/g*R*ω2*Cos 為一階慣性力 = G/g*R*ω2*λCos2 為二階慣性力 二階往復(fù)慣性力的最大值為： P2max = G/g*R*ω2*λ2 =334.73 kg 從〔1〕式可見(jiàn)，各缸二階往復(fù)慣性力的相位相同，四缸同時(shí)到達(dá)最大。 二階往復(fù)慣性力與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的關(guān)系 從上面可以看出二階往復(fù)周期性變化的慣性力，單缸最大值到達(dá)334.73 kg。因?yàn)楦鞲锥A往復(fù)慣性力的相位相同(四缸同時(shí)到達(dá)最大)，因此，四缸總共的最大值到達(dá)4×334.73 = 1338.92 k

8、g，在2600r/min時(shí)，垂直方向上將增加峰值振動(dòng)加速度為1338.92/362 = 3.69 g(EQB140-11柴油機(jī)的濕重362 kg)，振動(dòng)頻率為87 Hz，實(shí)測(cè)峰值振動(dòng)加速度值是3.23 g，實(shí)測(cè)值較小的原因是由于在臺(tái)架上測(cè)功機(jī)的一局部重量加到發(fā)動(dòng)機(jī)上，使臺(tái)架上測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)加速度較理論值小。 由于二階往復(fù)慣性力的振動(dòng)頻率小于100 Hz，其本身輻射的噪聲頻率低，所以其本身輻射的噪聲對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲沒(méi)有奉獻(xiàn)〔或被其它噪聲淹沒(méi)〕；但由于二階往復(fù)慣性力導(dǎo)致的振動(dòng)通過(guò)活塞敲擊氣缸體，從而使氣缸體輻射出高頻聲，同時(shí)通過(guò)曲軸傳遞給正時(shí)齒輪，使其輻射出齒輪敲擊高頻聲，以及通過(guò)凸輪軸使配氣機(jī)構(gòu)輻射

9、出高頻聲等；可見(jiàn)二階往復(fù)慣性力的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲增加。 2.3.4 平衡二階往復(fù)慣性力的方法 目前，消除四沖程直列四缸柴油機(jī)二階往復(fù)慣性力的方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)上直接增加雙軸平衡機(jī)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)了3個(gè)方案：方案A，6平衡塊；方案B，8平衡塊；方案C，8平衡塊。上圖為6平衡塊和8平衡塊的示意圖。 3、整機(jī)臺(tái)架振動(dòng)噪聲試驗(yàn)結(jié)果與分析 將3個(gè)方案分別裝配到EQB140-11柴油機(jī)上，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行外特性試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量氣缸體振動(dòng)幅值。 3.1 整機(jī)垂直方向二階振動(dòng)研究 EQB140-11柴油機(jī)垂直方向二階振動(dòng)峰值加速度〔m/s2〕測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表2和圖1。由此可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速

10、時(shí)，方案A可以降低約50%的振動(dòng)幅值；方案B可以降低約58%的振動(dòng)幅值；方案C可以降低約59%的振動(dòng)幅值。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速段1400r/min以下，方案A可以降低19%以上的振動(dòng)幅值；方案B可以降低36%以上的振動(dòng)幅值；方案C可以降低22%以上的振動(dòng)幅值。綜合考慮，方案B在高速段和低速段降低垂直方向二階振動(dòng)效果最好；方案C在中速段效果最好；而方案A的減振效果那么次于方案B和方案C。這說(shuō)明雙軸平衡機(jī)構(gòu)可以有效地降低垂直方向二階振動(dòng)，8平衡塊比6平衡塊的減振效果好。 表2 〔單位：m/s2〕 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 〔r/min〕 原 機(jī) 〔無(wú)平衡機(jī)構(gòu)〕 方案A 〔6平衡塊〕 方案B 〔8

11、平衡塊〕 方案C 〔8平衡塊〕 1000 1100 1200 19 1300 1400 1500 1600 14 10 1700 2 1800 25 1900 2000 2100 13 2200 2300 27 15 2400 12 2500 2600 3.2 整機(jī)軸向二階振動(dòng)研究 EQB140-

12、11柴油機(jī)軸向二階振動(dòng)峰值加速度〔m/s2〕測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表3和圖2。由此可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，方案A使軸向二階振動(dòng)幅值增加了64%；在1600r/min時(shí)增加了69%；但在1200 r/min時(shí)降低了41%。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是：6平衡塊平衡機(jī)構(gòu)不能完全平衡4個(gè)氣缸產(chǎn)生的二階往復(fù)慣性力，而且平衡力與被平衡的二階往復(fù)慣性力不在同一條線上，從而產(chǎn)生了附加的軸向彎矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向二階振動(dòng)在中高速段增加，而在1300r/min以下低速段，那么被平衡的二階往復(fù)慣性力仍然給降低軸向二階振動(dòng)帶來(lái)好處。這一特性對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的低頻振動(dòng)是非常有用的。 表3 〔單位：m/s2〕 發(fā)動(dòng)機(jī)

13、轉(zhuǎn)速〔r/min〕 原 機(jī)〔無(wú)平衡機(jī)構(gòu)〕 方案A〔6平衡塊〕 1200 1300 1400 1500 1600 12 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 3.3 整機(jī)橫向二階振動(dòng)研究 EQB140-11柴油機(jī)橫向二階振動(dòng)峰值加速度〔m/s2〕測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表4和圖3。由此可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，方案A可以降低約45%的振動(dòng)幅值；在發(fā)動(dòng)機(jī)低速段1400r/min以下，方案A

14、可以降低25%以上的振動(dòng)幅值。比擬橫向二階振動(dòng)曲線可知，6平衡塊雙軸平衡機(jī)構(gòu)有利于降低整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動(dòng)幅值。這對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的低頻振動(dòng)也是毫無(wú)疑問(wèn)的。 表4 〔單位：m/s2〕 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速〔r/min〕 原 機(jī)〔無(wú)平衡機(jī)構(gòu)〕 方案A〔6平衡塊〕 1200 1300 1400 1500 1600 1700 11 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 3.4

15、整機(jī)噪聲研究 EQB140-11柴油機(jī)的整機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表5和圖4。由此可見(jiàn)，平衡機(jī)構(gòu)在1700r/min以下降噪效果不明顯，在1700r/min以上降噪效果明顯，方案B在額定工況使發(fā)動(dòng)機(jī)降噪1.5 dB〔A〕。 表5 一米聲壓級(jí)〔前〕dB〔A〕 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速〔r/min〕 原 機(jī)〔無(wú)平衡機(jī)構(gòu)〕 方案A〔6平衡塊〕 方案B〔8平衡塊〕 1000 1100 1200 1300 1400 107 106 1500 106 106 1600 106 1700 1800

16、 1900 2000 1 2100 110 2200 2300 2400 108 2500 108 2600 4、整車(chē)匹配試驗(yàn)結(jié)果與分析 EQB140-11柴油機(jī)匹配到EQ1074T5AD載貨車(chē)上進(jìn)行了減振降噪驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表6。由此可見(jiàn)，雙軸平衡機(jī)構(gòu)和硅油減振器在整車(chē)上的減振降噪效果是比擬明顯的。由于整車(chē)上的振動(dòng)加速度是10-1000 Hz范圍內(nèi)的總和；而發(fā)動(dòng)機(jī)上只是測(cè)量二階振動(dòng)加速度，所以整車(chē)上的試驗(yàn)結(jié)果和發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果有差異。 表6 測(cè)試工程 車(chē)外加速噪聲 軸

17、向加速度 橫向加速度 垂直方向加速度 計(jì)量單位 dB〔A〕 m/s2 m/s2 m/s2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況 r/min 1000～2600 2600 2600 2600 無(wú)平衡機(jī)構(gòu) 57 72 95 方案C+硅油減振器 48 48 58 減振降噪量 降噪1.8 dB〔A〕 減振16% 減振33% 減振39% 5、結(jié) 論 ⑴、雙軸平衡機(jī)構(gòu)可以有效地降低直列四缸四沖程柴油機(jī)的二階往復(fù)慣性力的振動(dòng)幅值。在EQB140-11柴油機(jī)上8平衡塊平衡機(jī)構(gòu)在1000～2600 r/min之間可減小整機(jī)垂直方向36%～58%的振動(dòng)量。 ⑵、在EQB140-11柴油機(jī)上8平衡塊比6平衡塊的減振效果好。 ⑶、在EQB140-11柴油機(jī)上軸向二階振動(dòng)在中高速段偏大，說(shuō)明本文描述的雙軸平衡機(jī)構(gòu)有待進(jìn)一步改良設(shè)計(jì)。 ⑷、雙軸平衡機(jī)構(gòu)可以降低直列四缸四沖程柴油機(jī)的噪聲。在EQB140-11柴油機(jī)上整機(jī)及其匹配的EQ1074整車(chē)噪聲降低了1.5dB(A)。 參考文獻(xiàn) 1. 2. 3. ⒋ ⒌ ⒍ ⒎