4b发动机平衡器设计开发

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1、4B发动机平衡器设计开发田宁1王必璠2（1上海交通大学机械与动力工程学院2.东风汽车有限公司商用车研发中心）[摘要]直列4缸往复式内燃机由于其结构特点，在运转时其二阶往复惯性力不能自平衡，引起发动机产生较大的振动及噪声。在此类发动机上采用二阶平衡器以平衡二阶往复惯性力可显著降低发动机振动及噪声。本文论述了4B发动机二阶平衡器的开发过程，并通过试验，验证了平衡器达到的效果。[关键词]内燃机；二阶往复惯性力；平衡器1.前言直列四缸发动机由于二阶往复惯性力的存在，引起发动机的振动比较大，从而引起噪声有一定程度的增加。在发动机上布置

2、平衡器以平衡二阶往复惯性力，可以显著降低发动机的振动水平。东风汽车公司生产的4B系列发动机在初期，未考虑采用平衡器，近年来，客车市场发展迅速，对发动机的振动提出了更高的要求。在该发动机上开发二阶平衡器，是减振、降噪的有效措施。为了减少对发动机结构的影响，我们开发了在油底壳中可独立装拆的二阶平衡器。2.4B发动机二阶平衡力的计算每缸二阶平衡力的计算公式如下：PjⅡ=λrω2mCOS2α(1)式中λ—曲柄连杆比r—曲柄半径ω—曲柄角速度（发动机角转速）m—随活塞运动的质量α—曲柄转角其中m由三部分质量组成：m=m1+m2+m3(

3、2)式中m1—活塞和活塞环的质量m2—活塞销质量m3—连杆小头当量质量4B发动机各参数值如下表：表一：4B发动机各参数值λrm1m2m30.31360mm1225g630g580g把表一各数值代入（1）及（2）式得：PjⅡ=45656.3ω2COS2α（g.mm）显然对于四个曲柄转角相差180°的4B系列发动机，任意时刻各缸的二阶惯性力PjⅡ大小相等，方向相同。因此发动机总的二阶惯性力PjⅡ总大小为：PjⅡ总=4PjⅡ=182625.2ω2COS2α（g.mm）(3)图1平衡轴原理图对于往复惯性力来说，单在曲轴上加平衡块是不

4、能平衡的。因为一个往复力，不能用一个旋转力来平衡，而只能用一个大小相等，方向相反的另一个往复力来平衡。对于二阶往复惯性力，必须用一对相反方向旋转的旋转力来平衡，旋转力的角速度是曲柄角速度的两倍，其原理图见图一。两平衡轴上的旋转力水平分量大小相等，方向相反，而垂直分量的合力等于发动机的二阶惯性力：2mⅡrⅡ（2ω）2COS2α=PjⅡ总（4）把（3）式代入（4）式得到平衡轴每轴的平衡重质心与质量的乘积：mⅡrⅡ=22828.2（g.mm）（5）1.平衡器布置方案的确定图2平衡轴布置例有的发动机把平衡轴布置在缸体上，如某发动机（

5、见图2），这样的布置结构紧凑，可靠性好，但必须在发动机开发之初就对平衡轴的布置作综合考虑，这样的布置在轿车和轻型车应用为主的发动机中普遍采用。为了保持4B系列发动机在安装了平衡器后零部件的通用性，我们考虑把两平衡轴安装在一个壳体上作为总成，再安装在缸体下方油底壳内，以尽量减少对原发动机结构的影响。缸体下方空间有限，要布置平衡器，应作适当布置。通过对4B发动机的结构分析，对平衡器的设计有以下几点思路：平衡器固定在主轴承盖上。平衡器布置时应考虑曲轴平衡块和连杆包络线，以免与平衡器发生干涉（4BTAA连杆包络线见图3）。平衡器由发

6、动机曲轴齿轮系驱动。斜齿轮传动产生一定的轴向力，所以平衡器上还应考虑止推轴承的设计。由于4B系列发动机的曲轴齿轮的分度圆直径为93.2mm，而平衡轴的转速应是发动机转速的两倍，因此两平衡轴的轴心距为46.6mm，要想在如此小的轴心距之间布置mⅡrⅡ=22828.2（g.mm）的平衡重，平衡器的轴向跨距就必须加长，平衡重分多块布置。拟每轴布置4只平衡块，平衡器安装在第一、第四主轴承盖上。图3B发动机连杆包络线为了尽量减小对原发动机结构的影响，平衡器的润滑系统不采用强制润滑，而采用油浴润滑和飞溅润滑，平衡器上的各轴承采用滚针轴承

7、。由于平衡器跨距较长，拟在每根平衡轴上布置三只滚针轴承。平衡器在平衡二阶往复惯性力的同时，考虑发动机侧倾力的平衡，可达到更好的发动机的减振效果。平衡器上双轴上下适当偏置，以产生一定的力矩，可以达到一定的平衡发动机侧倾力的效果。由于主轴承盖和平衡器的高度的公差较大，为保证平衡器上齿轮与发动机上驱动齿轮的齿轮间隙，考虑在安装平衡器时微调平衡器惰轮齿轮的中心，以达到调整齿轮间隙的目的。综合以上几点思路，平衡器布置草图如下：图4平衡器布置图底视图1.平衡器上各零部件的设计4.1平衡轴的设计通过初步计算，平衡轴的直径定为ø25,材料采

8、用40Cr。4.2平衡块的设计图5平衡块平衡块的结构如图所示，每只平衡块用M8的螺栓固定在平衡轴上。为了易于加工，平衡块材料采用粉末冶金件，材料密度为7.05kg/m3，每只平衡块的质量为m1=300g，质心r1=14.64mm。而每只平衡块固定螺栓的质量m2=11.2g，质心r2=22.