肖华，刘新彦，朱晓天

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

四缸柴油机去平衡机构振动与噪声研究

肖华，刘新彦，朱晓天

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

对某直列4缸机取消平衡机构前后的振动和噪声水平进行了测试，根据4缸机平衡分析，改进了该4缸机的曲轴平衡重设计，并进行了振动、噪声测试，试验结果表明在没有平衡机构时，仅改进曲轴平衡重设计，发动机噪声有所下降，在高转速时的振动情况没有明显变化，但在中低转速时振动情况有一定改善。

柴油机平衡机构振动噪声

1 前言

随着社会的进步和科学技术的不断发展，人们对柴油机的要求也越来越高，除了要求有良好的动力性和经济性外，振动和噪声水平也成为考评柴油机性能的重要方面。由于工作方式不同，柴油机的振动及噪声情况往往比汽油机恶劣得多，对于使用柴油机的道路用车辆来说，振动过大不仅容易导致零部件失效，而且对驾驶员的身心健康不利，因此在柴油机上开展减振降噪工作是很有必要的。

发动机的振动状况在很大程度上取决于曲柄连杆机构的平衡状况。曲柄连杆机构的不平衡质量在多缸发动机中会引起惯性力、惯性力矩和曲轴的内弯矩，这些都是影响发动机振动的因素。在发火间隔均匀的直列发动机中，有些发动机的合成惯性力和惯性力矩均为零，如6缸机；但也有些发动机的二阶往复惯性力合力不为零，如4缸发动机。所以对于4缸机来说，其曲柄连杆机构自身是不平衡的。

为了平衡4缸机的二阶往复惯性力，通常需要专门增加一个转向相反的平衡机构，并通过齿轮传动。但平衡机构的使用一方面会增加发动机成本，另一方面平衡机构自身的可靠性也是影响发动机性能的一个重要因素。一旦平衡机构上的零部件产生异常磨损，发动机的振动状况将会急剧恶化。

本文将以取消平衡机构后的4缸柴油机为研究对象，从改进曲轴平衡重的角度探讨4缸柴油机的减振降噪方法。

2 四缸柴油机平衡分析

2.1 惯性力

4冲程4缸机为了发火间隔均匀，曲柄夹角应为180°，如图1所示。曲柄连杆机构的惯性力包括旋转惯性力和往复惯性力二部分[1]。

旋转惯性力的合力在气缸中心线方向的投影为：

其中，

旋转惯性力的合力在气缸中心线方向的投影为：

旋转惯性力的合力：

往复惯性力仅沿气缸中心线作用，其值为：

式中，

上式中由二部分组成，第一部分为一阶往复惯性力，第二部分为二阶往复惯性力。

一阶往复惯性力合力：

二阶往复惯性力合力：

图1 四缸发动机惯性力

可见在惯性力中，只有二阶往复惯性力未平衡。

2.2 惯性力矩

旋转惯性力矩：

其中，为缸心距。

一阶往复惯性力矩：

二阶往复惯性力矩：

所以，对于4冲程发动机而言，惯性力矩都已平衡。

2.3 内弯距

以上惯性力和惯性力矩的计算，考量的是曲柄连杆机构对外部支撑系统的作用情况，即所谓的“外平衡”。实际上，发动机还存在“内平衡”的问题。由于曲轴不是绝对刚体，在力和力矩的作用下会产生变形，于是将一部分力或力矩通过轴承传到机体上，使机体产生振动。因此，“内平衡”也是评价整机振动的重要因素。对发动机内部平衡性的计算和制定，目前一般只考虑离心惯性力在曲轴上形成弯曲力矩的作用情况，并取最大弯矩值作为评价“内平衡”好坏的依据。

将曲轴看成一根直梁，则各主轴承处的弯矩分别为：

由于曲轴是关于第三档主轴承中心线对称布置，故：

3 取消平衡机构对柴油机振动和噪声的影响

为研究取消平衡机构对4缸柴油机振动和噪声的影响，对某4缸柴油机取消平衡机构前后的振动和噪声水平进行了试验对比。

3.1 柴油机参数及试验设备

该柴油机的基本参数如表1所示。

表1 试验发动机基本参数

测试设备型号及制造厂家说明：

测控系统：EIM0400，奕科机电设备有限公司；水涡流测功器：WE42，奕科机电设备有限公司；瞬态油耗测量仪：FCM05，奕科机电设备有限公司；振动分析仪：VA-11，日本RION公司；声级计：2236，丹麦Brüel&Kja er公司；传声器：4188，丹麦Brüel&Kja er公司；声级校准器：4231，丹麦Brüel&Kja er公司。

3.2 振动烈度和噪声测试方法

振动测量在发动机上取5个点测量4个工况点（外特性）的振动速度，如图2所示，并用当量振动烈度作为振动评价指标：

其中，，，为测点处沿各方向的振动速度。

噪声测量在发动机附近取8个点测量标定工况点的声压，如图3所示，并用声功率级来衡量发动机的噪声水平。

图2 振动测量示意图

图3 噪声测量示意图

3.3 原机测试结果

取消平衡机构前后，该发动机的振动和噪声测试结果如表2所示。从表2的数据中可以明显看出，取消平衡机构后，发动机在不同转速下的振动烈度都有很明显的上升，高转速时的差异尤为突出。取消平衡机构后，发动机的标定点噪声也有了一定的上升，但小于117 dB(A)的国标噪声限值。

表2 取消平衡机构前后发动机的振动与噪声测试结果

4 改进曲轴平衡重对降低振动与噪声的作用

在曲轴上增加平衡重的目的是平衡旋转离心力及其力矩，同时降低曲轴承受的内弯距，从而减小主轴承的负荷。

根据本文第2节的分析结果，直列4缸机未平衡的力和力矩只有二阶往复惯性力和内弯矩。取消平衡机构后，二阶往复惯性力无法平衡，只能通过减小内弯距来改善发动机的平衡状况。

图4为该发动机原曲轴的模型，该曲轴在第1、4、5、8曲柄上设计有扇形平衡重。根据公式（12）可算出原来曲轴承受的最大内弯距为1 566 N·m。

图4 原曲轴三维模型

更改曲轴的平衡重设计，在第2、3、6、7曲柄上增加平衡重，对称布置8个平衡重，且将平衡块的扇形直径由110 mm增加到112 mm（经验算，曲轴与其它零部件留有必要的间隙），同时将规则扇形改为不规则扇形，如图5（a）所示，如此曲轴质量将增加2.245 kg，与原始平衡块相比，改进后的平衡块质心外移约1.3 mm。改进后的曲轴模型如图5（b）所示。

根据公式（12）可算出更改后的曲轴承受的最大内弯距为1 217 N·m，比原曲轴承受的内弯距减小了22%。

图5 改进后的曲轴模型

试制一根改进后的曲轴，并安装到同一台发动机上，在同一试验台架上进行振动和噪声测试，测试结果如表3所示。

表3 安装改进曲轴的发动机振动与噪声测试结果

对比表2和表3的测试结果可知，使用改进曲轴后的发动机的振动和噪声水平介于原机带平衡机构和不带平衡机构之间。不带平衡机构时，使用改进曲轴与使用原曲轴相比，高转速时（2 300 r/min，2 000 r/min）振动情况改善不是很明显，但在中低转速时（1700 r/min，1400 r/min）振动烈度有一定程度的改善；相应地，标定点噪声也有一定改善。

5 与规格类似产品的对比试验

现在国内市场上有一些4缸柴油机是不带平衡机构的。为了进一步评价取消平衡机构后该发动机的振动、噪声水平，选取一台4缸、4气门发动机作为对标发动机，在同一试验台架上进行了外特性工况下的振动、噪声测量。该对标发动机的基本参数如表4所示，振动、噪声试验结果如表5所示。

A Study of Vibration and Noise Level of a Four-Cylinder Diesel Engine without Balance Mechanism

Xiao Hua, Liu Xinyan, Zhu Xiaotian
（Shanghai Diesel Engine Co., Ltd., Shanghai 200438, China）

Tests of vibrat ion and noise of a four-cylinder diesel engine with and without balance mechanism have been done. The crankshaft counterweight is improved based on the balance analysis. The noise of the engine with improved crankshaft is decreased, and the vibration doesn't show significant improvement at high speed, but it gets better to a certain extent at mediumand low speed.

diesel engine, balance mechanism, vibration, noise

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.02.004

来稿日期：2009-12-18

肖华（1981-），女，硕士研究生，主要研究方向为柴油机结构设计。