混合動(dòng)力車用三缸汽油機(jī)曲軸平衡設(shè)計(jì)

李佳家

摘 要：汽車動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展日益多元化，混合動(dòng)力效降低燃油消耗及排放，同時(shí)有效的解決了純電動(dòng)汽車的里程焦慮問題，市場份額不斷增加。由于混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更窄，更多的利用自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率區(qū)。但是，由于混動(dòng)系統(tǒng)較傳統(tǒng)動(dòng)力增加了電動(dòng)系統(tǒng)，為解決整車布置問題，需要匹配更緊湊的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)。本文基于四缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，研究三缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)及平衡重的設(shè)計(jì)，并對曲軸的扭振進(jìn)行評估。結(jié)果表明：采用四平衡重結(jié)構(gòu)并將平衡重偏心30°布置，可以使得在最小力偶的情況下，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡;該三缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭振的最大振幅為0.070 deg，滿足扭振評價(jià)要求。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);混合動(dòng)力;曲軸平衡;平衡重

Abstract： The development of automobile power system is becoming more and more diversified. The hybrid efficiency reduces fuel consumption and emissions. At the same time， it effectively solves the mileage anxiety problem of pure electric vehicles， and the market share is increasing. Because the operation condition of the hybrid engine is narrower than that of the traditional engine， more efficient areas of the naturally aspirated engine are used. However， because the hybrid system adds an electric system to the traditional power， in order to solve the vehicle layout problem， it needs to match a more compact 3-cylinder engine. Based on the 4-cylinder naturally aspirated gasoline engine， this paper studies the design of crankshaft structure and balance weight of 3-cylinder engine， and evaluates the torsional vibration of crankshaft. The results show that the balance of the moment of inertia can be achieved with the minimum couple of forces by adopting the four balance weight structure and arranging the balance weight at an eccentricity of 30 °. The maximum amplitude of the crankshaft torsional vibration of the three cylinder naturally aspirated engine is 0.070 deg， which meets the requirements of torsional vibration evaluation.

Keyword： Gasoline engine; Hybrid Vehicle; Crankshaft balancing; Balance weight

前言

為了滿足日益嚴(yán)格的油耗及排放法規(guī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，汽車動(dòng)力系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展的趨勢，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)仍然占據(jù)著汽車動(dòng)力的主要份額，其將主要以混合動(dòng)力及純內(nèi)燃機(jī)兩種形式存在[1]。由于小排量三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，相對于四缸機(jī)，其運(yùn)動(dòng)部件更少，摩擦損失更低，相對來說效率更高;同時(shí)，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率也較增壓發(fā)動(dòng)機(jī)更高;外形尺寸更緊湊，對于微小型車及混合動(dòng)力車，發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置兼容性更好;與成熟的四缸機(jī)產(chǎn)品形成平臺化，減少對現(xiàn)有生產(chǎn)制造系統(tǒng)的改造[1-2]。三缸機(jī)由于點(diǎn)火間隔、曲軸平衡特性等問題導(dǎo)致的NVH問題一直是限制其大范圍應(yīng)用的關(guān)鍵所在，但是，由于混合動(dòng)力的應(yīng)用，其工況運(yùn)行范圍較傳統(tǒng)純內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力更窄，主要利用發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率區(qū)間，其振動(dòng)問題得到很大程度的緩解。

本文基于現(xiàn)有四缸1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，研究平臺化的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品曲軸平衡重設(shè)計(jì)，并通過計(jì)算分析，評估其扭振等性能，為三缸小排量發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 三缸小排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡述

本文研究的三缸小排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，原型機(jī)為四缸1.5L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其排量為1.0L，點(diǎn)火順序?yàn)?-3-2，點(diǎn)火間隔240°CA，其主要參數(shù)如表1所示;基于產(chǎn)品平臺化的考慮，其連桿長度、缸體高度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)保持與原型機(jī)一致，以盡可能的降低對產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的一階往復(fù)慣性力、二階往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力是自平衡的，但其往復(fù)慣性力矩和旋轉(zhuǎn)慣性力矩是不平衡的[3-4]。該三缸發(fā)動(dòng)機(jī)通過設(shè)置平衡重來平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩，在飛輪、皮帶輪設(shè)置偏心重來平衡往復(fù)慣性力矩。

2 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 平衡重布置

由于直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)限制，其平衡重主要有三種布置形式，2平衡重，4平衡重，8平衡重，如圖1所示。

對比三種曲軸平衡重布置形式，2平衡重結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是其曲軸內(nèi)彎矩會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高不斷增加，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)加劇;6平衡重結(jié)構(gòu)的曲軸內(nèi)彎矩最小，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，不利于曲軸的輕量化;4平衡重結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能相對均衡。通過對市場上的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對標(biāo)分析，4平衡重結(jié)構(gòu)曲軸比例較高，綜合考慮，選擇4平衡重結(jié)構(gòu)作為該小排量三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)形式。

2.2 平衡重偏心設(shè)計(jì)

在直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，以第二缸的中心為基準(zhǔn)，根據(jù)解析法可知曲軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量綜合慣性力矩矢量的方向與第二缸曲柄方向一致，力偶作用平面與第一缸曲柄夾角為-30°，如圖2所示。

圖2中，1、2、3分別代表曲軸第1、2、3曲柄的位置;1'、3'分別為第1、3缸平衡重的位置;M為曲柄旋轉(zhuǎn)質(zhì)量綜合慣性力矩矢量方向;Mcw為平衡重旋轉(zhuǎn)質(zhì)量綜合慣性力矩矢量方向;M1為第1曲柄旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩矢量方向;M3為第3曲柄旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩矢量方向;Mcw1為第1平衡重旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩矢量方向;Mcw3為第3平衡重旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力矩矢量方向;為了滿足旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡，并使得力偶最小，需將平衡重偏心30°，其曲軸布置形式如表2所示。

2.3 平衡重尺寸設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的平衡重主要用于平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩，基于前文確定的平衡重布置形式及偏心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步通過計(jì)算獲得平衡重的質(zhì)徑積，為后續(xù)平衡重的尺寸及外形設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)輸入。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論[5-6]，直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量綜合慣性力矩∑Mr為：

為實(shí)現(xiàn)曲軸旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡，平衡重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力矩需要與曲柄旋轉(zhuǎn)總質(zhì)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力矩相等，既：

根據(jù)式（1）、（2）、（3），可推導(dǎo)出單個(gè)平衡重質(zhì)徑積與曲柄質(zhì)徑積的關(guān)系為：

將該發(fā)動(dòng)機(jī)的行程、連桿大頭等效質(zhì)量、曲柄銷等效質(zhì)量、曲柄臂等效質(zhì)量代入式（2）中，計(jì)算得到（Wr）c曲柄質(zhì)徑積為39.28 kg﹒mm，再根據(jù)式（4）計(jì)算得到單個(gè)平衡重的質(zhì)徑積為17.01 kg﹒mm。

基于不改變原型機(jī)缸體寬度及高度的設(shè)計(jì)原則，需保證平衡重與缸體曲軸箱內(nèi)表面不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。保持與原型機(jī)平衡重最大外徑一致，對平衡重結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足平衡重質(zhì)徑積的要求。新設(shè)計(jì)平衡重最大外徑為68mm，厚度14.9mm，滿足運(yùn)動(dòng)間隙要求，如表3所示。

3 曲軸動(dòng)力學(xué)分析

通過搭建曲軸動(dòng)力學(xué)模型，對設(shè)計(jì)的該直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證平衡重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，并分析評估其扭振特性，為皮帶輪及飛輪設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)輸入[7-8]。

3.1 曲軸動(dòng)力學(xué)模型

本文采用Lotus Concept Crank Train軟件對該三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型搭建，如圖4所示。

模型中曲軸皮帶輪及飛輪相關(guān)參數(shù)借用原型機(jī)參數(shù)，以評估其設(shè)計(jì)是否滿足三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH需求，并為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

由于該三缸發(fā)動(dòng)機(jī)與原型機(jī)相比，升功率升扭矩參數(shù)保持一致，參考原型機(jī)的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力試驗(yàn)值，設(shè)定該小排量三缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆發(fā)壓力75bar，作為曲軸動(dòng)力學(xué)分析時(shí)的載荷邊界，最大爆發(fā)壓力曲線如圖5所示。

3.2 動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

該小排量三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力學(xué)模型曲軸自由振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果如圖6所示，由圖可知該三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力均為0Nm（圖6a），在豎直方向上存在一、二階的往復(fù)慣性力矩不平衡（圖6b），水平方向上的旋轉(zhuǎn)慣性力矩已經(jīng)通過平衡重進(jìn)行平衡，與第一章節(jié)中的曲軸動(dòng)力學(xué)理論相一致。往復(fù)慣性力矩需要通過飛輪、皮帶輪、懸置系統(tǒng)進(jìn)行吸收。

該小排量三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力學(xué)模型曲軸扭振分析結(jié)果如圖7所示，由圖可知該三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭振各階次振幅最大值為0.070 deg。Lotus LCCT軟件對于評價(jià)扭振的推薦值為：各階次振幅要求小于0.15 deg[9]。從分析結(jié)果可知，該三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在借用原型機(jī)皮帶輪及飛輪的情況下也可以滿足曲軸扭振的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）基于直列四缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的三缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，由于點(diǎn)火間隔的變化需要重新設(shè)計(jì)曲軸結(jié)構(gòu)。

（2）對于采用四平衡重結(jié)構(gòu)的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)，將平衡重偏心30°布置，可以滿足平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩的目的，存在的旋轉(zhuǎn)慣性力矩需要通過平衡軸等技術(shù)進(jìn)行平衡。

（3）該直列三缸自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)扭振最大振幅0.070 deg，滿足扭振評價(jià)要求，皮帶輪、飛輪等零件存在借用原型機(jī)零部件的可能。

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