三缸内燃机曲轴设计及动平衡

2 动平衡设计
2 . 1 三缸内燃机动平衡不平衡原理 三 缸 发 动 机 曲 轴 本 身 结 构 对 称 ，所以对于单 独 m 轴 本 身 而 言 ，在不考虑气缸爆发压力的情况 下 ，我 们 沿 着 第 二 缸 曲 轴 中 心 线 建 立 义 坐 标 ，垂 直 建 立 r 坐 标 。通 过 图 1 所 示 可 以 看 出 ，在义轴 和 r 轴 均 有 大 小 相 等 ，方 向 相 反 的 合 力 存 在 ，它 是静平衡结构。但发动机高速旋转后，三缸发动机 曲柄连杆机构系产生旋转惯性力作用，旋转惯性力 以相对第二缸气缸中心为中心点，第一缸有方向沿 r 轴正方向力矩，第 三 缸 有 沿 y 轴负方向力矩，这 样一对大小相等，方向相反的力矩引起发动机动不 平 衡 ，导致发动机出现摇头摆尾的振动，这就是三
2 . 3 飞轮、减震皮带轮设计
曲轴皮带轮
曲 轴 平 衡 块 及 轴 颈 设 计 后 ，发动机曲柄连杆 机 构 在 运 转 过 程 中 ，1，3 缸会产生旋转惯性力及 相 对 2 缸中心产生惯性力矩。由于选取的参照中心 为 2 缸 中 心 ，2 缸惯性力力臂不存在，也就没有惯 性 力 矩 ，所 以 只 要 平 衡 1，3 缸产生的一对大小相
江 宁 波 3 1 5 3 3 6 ; 2 . 浙 江 吉 利 罗 佑 发 动 机 有 限 公 司 ，浙 江 宁 波 3 1 5 8 0 0 )
摘 要 ：现 代 汽 车 发 展 对 乘 坐 的 舒 适 性 要 求 越 来 越 高 ，汽 车 整 车 既 要 考 虑 安 全 性 ，又 要 控 制 整 车 振 动 、噪 声 对 乘 坐 的 舒 适 性 ，这 些 都 是 非 常 重 要 的 。 内 燃 机 的 平 衡 性 能 不 好 必 然 引 起 车 辆 的 振 动 ，驾 驶 员 和 乘 客 就 容 易 疲 劳 ，影 响 行 车 安 全 和 舒 适 性 ，因 此 提 高 发 动 机 运 转 的 平 衡 性 及 安 全 性 非 常 重 要 。三 缸 内 燃 机 相 对 其 它 多 缸 机 ，其 动 平 衡 更 加 复 杂 ，要 平 衡 三 缸 内 燃 机 方 法 较 多 ，但 是 三 缸 内 燃 机 平 衡 既 要 考 虑 在 结 构 上 不 过 于 复 杂 ，又 能 满 足 平 衡 性 要 求 就 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 关 键 词 ：三 缸 发 动 机 ；曲 轴 ；疲 劳 强 度 ；动 平 衡 ；旋 转 质 量 ；安 全 系 数 中 图 分 类 号 ：T K 4 0 2 文 献 标 识 码 ：B 文 章 编 号 ：1000 - 6 4 9 4 ( 2 0 1 5 ) 0 6 - 0 0 3 8 - 04
but also control its vibration a n d noise of ride comfort , w h i c h are very important. B a d p e r f o r m a n c e in ba l a n c e of internal c o m b u s t i o n en gine will necessarily c a u s e the vihralion of the vehicle, a n d it is easy for driver a n d p a ssenger to h e fatigue, w h i c h will influence the driving safety a n d comfort. Therefore , to i m p r o v e the balance of engine operation a n d safety is ver\r important. Relative to other multi— cylinder internal c o m b u s t i o n engine , three-cylinder engine's d y n a m i r balance is m o r e complex , its balance m e t h o d s are m u c h more , but the three cylinder e n gine bal a n c e s h ould nol only consider complicated in the structure, a n d also c a n satisfy the requirement of balance , w h i c h is of great significance.
第 6期
谭 成 舟 ，等 ：三 缸 内 燃 机 曲 轴 设 计 及 动 平 衡
39
产的机戢也比成熟，所以参考的经验和数据库也比 较 多 ，在前期研发阶段确定了缸径D 、曲柄半径乙 等主要参数后，对于曲轴可以基本确定以下参数： 主 轴 颈 直 径 D, 对 于 柴 油 机 一 般 取 0.7 ~ 0.8 Z)，对 于汽油机 一 般 取 0.65 ~ 0.75 Z)，主轴颈开 档 宽 度 L, 柴 油 机 取 0.40 ~ 0.45 D ，汽 油 机 取 0.40 ~ 0.45 D ， 连 杆 颈 直 径 A 对 于 柴 油 机 一 般 取 0 .6 〜0.7 Z)，对 于汽油机一般取0.60 ~ 0.65 D , 主轴颈开档宽度 Lc 柴 油 机 取 0 .4 0 〜 0.45 £)，汽 油 机 取 0 .4 0 〜0.45 D 。 对 于 曲 柄 臂 厚 度 灰 ，汽 油 机 一 般 取 0.2 ~ 0.25 D ， 柴 油 机 取 0 .2 5 〜0.27 £)。曲轴润滑油孔直径一般不 大 于 0.1 A .，但 最 小 不 得 小 于 5 m m 以上参数确 定 后 ，就可以确定曲轴的重叠度，增加曲轴重叠度 可以增加肋轴抗弯和抗扭强度及刚度。
Design and Dynamic Balance of Three-cylinder Internal Combustion Engine Crankshaft
T A N C h e n g z h o u ' , X U C a n c a n ' , W E I H o n g ' , LI S h u a n g q i n g ' , W A N G R u i p i n g ' 2 ( 1 . N i n g h o G e e l y R o y a l E n g i n e C o m p o n e n t s Co. , Ltd. , N i n g h o 3 1 5 3 3 6 ; 2. Z h e j i a n g G e e l v R o y a l E n g i n e Co. , Ltd. , N i n g h o 3 1 5 8 0 0 )
第6 期
2015年 12月
内燃机 Internal C om bustion Engines
No. 6 Dec. 2 0 1 5
三缸内燃机曲轴设计及动平衡
谭成舟1, 徐 灿 灿 、 韦 虹 \源自文库李 双 清 、 王瑞平12
( 1 . 宁 波 吉 利 罗 佑 发 动 机 零 部 件 有 限 公 司 ，浙
I 缸
P
图 2 曲轴飞轮组旋转惯性力力臂分布图
一 缸I 尺 ，
• 40 •
内燃机
2015年 12月
等方向相反的惯性力矩，就需要在曲轴皮带轮和飞 轮质量偏心来产生旋转惯性离心力，且产生一对以 二缸中心的大小相等，方向相反的惯性力矩。一般 在飞轮相应角度位置打孔去重，在曲轴皮带轮上对 称角度上加配重平衡重。 同 理 可 分 析 其 合 力 距 ，故若简化中心点取在 第二拐的中心点〇点 ，见 图 1，把曲轴、飞轮、曲 轴 皮 带 轮 上 所 有 的 力 合 成 到 I坐 标 系 上 ，要使合 弯 矩 等 于 0 , 只 要 把 离 心力分解到I轴 上 再 与 第 二缸距离的乘积等于0 。 所 以 Z 轴方向合力为： 2 M , = 2A： r sin30o - K, = 0 式 中 ，K 为旋转惯性力。 从 上 式 可 以 看 出 ，X 轴 上 合 力 等 于 零 ，相对 整根曲轴，合弯矩也等于零。 r 轴方向合弯距为： 2 Mv= bKp - 2 aK, c〇s30° +cKf (2 ) ( 1)
要受到周期变化的力、力矩共同作用，即受弯曲又 受扭转，承受交变疲劳载荷，重点是弯曲载荷。曲 轴 的 破 坏 8 0 % 是弯曲疲 劳 破 坏 ，并且曲轴形状复 杂 ，应力集中严重。它的结构影响本身的强度和刚 度 ，也就影响发动机的可靠性和寿命以及整机结 构 、质量等，所以对曲轴的设计要求很高。在设计 曲轴时必须正确选择曲轴的尺寸参数、结构型式、 材料与丁艺等，以求获得最经济最合理的效果。曲 轴初始设计阶段，主要依靠经验设计，利用许多现 有的曲轴结构与尺寸的数据库，结合新机型的要求 及现有工艺条件，初步确定曲轴的基本尺寸，然后 进行结构的详细设计，强度校核，曲轴样品试验， 最后确定曲轴的结构、尺寸与加工工艺等。 1 . 2 基本参数选择 对 于 三 缸 发 动 机 ，各汽车发动机公司已经量
1 主要结构参数的选定
1 . 1 曲轴工作条件 曲 轴 是 发 动 机 中 最 重 要 的 机 件 之 一 ，曲轴主
作 者 简 介 ：谭 成 舟 （ 1 9 8 0 - 〉，男 ，湖 南 人 ，工 程 师 ， 主 要 从 事 发 动 机 曲 轴 、连 杆 等 零 部 件 的 设 计 、计 算 T . 作 。 收 稿 日 期 ：2015 - 08 - 2 5
Key words： three-cylinder engine; crankshaft; fatigue strength; d y n a m i c
balance; rotating m a ss; safety coefficient
0 刖吕 汽 车 轻 量 化 设 计 是 现 在 汽 车 发 展 的 趋 势 ，三 缸发动机制造成本低，质量轻，比较省油，也越来 越得到各汽车公司的重视。但三缸发动机因为结构 的独特性，所以运转平稳性较四、六缸机更难以平 衡 。我们主要从曲轴、飞 轮 、皮带轮等主要结构件 的设计来优化三缸机运转平衡性。
Abstract：D e v e l o p m e n t
of m o n e r n automobile ride comfort u e m a n d is higher a n d higher , the vehicle should not only consider security,
缸发动机需要平衡的二阶惯性力矩。旋转惯性的力 臂分布见图2 。 为了消除三缸内燃机二阶力矩的动不平衡 性 ，大多采用平衡轴方法来解决问题。但内燃机增 加平衡轴结构，不利于其内燃机结构紧凑性，结构 也相对复杂，成本也将增加。为了更简单地解决三 缸内燃机的动不平衡问题，我们将介绍飞轮偏心减 重 、曲轴皮带轮非对称增重，旋转惯性力矩矢量平 衡法来解决。即在飞轮上采用非对称减重，使其在 图 1 中 r 轴 方 向 产 生 一 力 矩 ，在皮带轮上增加质 量 使 其 在 图 1 中 r 轴 负 方 向 产 生 另 一 力 矩 ，此两 力矩其值等于曲轴单拐相对二缸中心旋转惯性力矩 和往复惯性力矩的一部分之和，且方向相反大小相 等 。通过飞轮、曲轴皮带轮上的此两个力矩组合来 平衡曲轴旋转时候产生的惯性力矩，以达到内燃机 运行时候的平稳性。 2 . 2 曲柄臂平衡块设计 三缸曲轴平衡块常用有两种形式 ， 一 种 就 是 6 平衡块全对称结构设计，此种结构大部分去重可以 在平衡块上实现，加工及模具开发简单。但此种结 构平衡块体积较大，要求发动机内部空间大。另一 种 结 构 是 1，3 三缸平衡块偏心结构，即 1，3 缸平 衡块质量中心向一侧偏3 0 ° ，见 图 3 。 通 过 P R O E 三 维 设 计 软 件 ，使其质量中心在 第2缸中心线垂直线上，即 图 4 中飞轮、曲轴皮带 轮 惯 性 力 作 用 轴 线 上 。这样设计当曲轴在旋转时 候 ，平衡块质量产生的旋转惯性力方向位于垂直于 第 2 缸 中 心 线 上 ，避免产生沿二缸中线的分力存 在 ，此设计使曲轴结构紧凑。