（机械制造及其自动化专业论文）直列式四缸柴油机二级平衡机构性能分析.pdf

摘要 摘要 直列式四缸柴油机由于外形尺寸小，具有明显的匹配优势，应用越来越广泛。 但是由于其本身结构的特点，该型柴油机中的二级往复惯性力在四个缸中相互叠 加，引起直列式四缸柴油机的低频振动，对该型柴油机的应用造成不利影响。在 该型柴油机上加装二级平衡机构以减小由二级往复惯性力引起的振动，成为直列 式四缸柴油机的一个发展趋势。 分析了直列式四缸柴油机激振力特点，阐明t - - 级平衡机构的设计原理，为 道依茨2 2 6 b 直列式四缸柴油机设计了非全长式a 类二级平衡机构，该二级平衡 机构外形尺寸小，结构紧凑，可1 0 0 平衡道依茨2 2 6 b 直列式四缸柴油机的二级 往复惯性力，但对柴油机倾覆力矩中的二谐分量则不予平衡。 建立了二级平衡机构机构轴有限元模型，借助于分析软件a n s y s 对模型进 行了应力应变分析，在1 0 0 0 0r m i n 的工况下，机构轴危险截面应力为 0 5 6 1 1 0 8 p a ，分析结果显示，危险截面足够安全。 平衡机构采用动压润滑，通过对润滑工况作适当简化，建立了润滑系统稳态 线接触弹性流体动力润滑模型，并对模型进行了处理，用m a t l a b 软件编制了 程序，求得了弹流润滑模型的完全数值解，揭示了该二级平衡机构润滑系统在各 种工况下的油膜压力分布与膜厚形状。 选取了不同工况对润滑系统工作状态进行了分析。结果显示，在o 3 0 0 0r m i n 转速范围内，随转速升高，最小膜厚急剧增大，在3 0 0 0 4 0 0 0r r a i n 范 围内达到最大值后，又缓慢变小，达到 0 0 0 0 r r a i n 后，最小膜厚趋向稳定。该 机构在工作转速范围内，最小膜厚值维持在1 0 3 0um 之间，可形成全膜弹流润 滑。结果证明，涧滑的不利状况处于机构0 1 0 0 0r m i n 低速运行阶段；随转速 升高，润滑状态迅速得到改善，最佳润滑状态处于3 0 0 0 4 0 0 0 r m i n 范围内；然 后随转速升高，润滑状念略有变化，但基本维持在一个稳定的、良好的状态。 关键词：二级平衡机构：二级往复惯性力；弹性流体动力润滑；柴油机 v a b s t r a c t t h ei n - l i n ef o u r - c y l i n d e rd i e s e le n g i n ei sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e db e c a u s eo f i t sc o m p a c ts i z ea n do b v i o u sa d v a n t a g eo fm a t c h i n g ，h o w e v e r , d u et oi t ss p e c i a l t yo f m a c h i n e r y , t h es e c o n do r d e rr e c i p r o c a t i n gi n e r t i a lf o r c eo ft h i sk i n do fe n g i n ea r e a d d e dt o g e t h e ri ni t sf o u rc y l i n d e r s i ti n d u c e sl o wf r e q u e n c yv i b r a t i o no ft h ei n - l i n e f o u r - c y l i n d e rd i e s e le n g i n ea n db r i n g sd i s a d v a n t a g e o u se f f e c to nt h i sk i n do fe n g i n e a s s e m b l i n gs e c o n do r d e rb a l a n c em e c h a n i s mo nt h ee n g i n ei no r d e rt or e d u c et h e v i b r a t i o nc a u s e d b ys e c o n d o r d e r r e c i p r o c a t i n g i n e r t i a lf o r c ei s b e c o m i n g a d e v e l o p m e n t a lt e n d e n c y t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef o r c ei n d u c e dv i b r a t i o ni ni n - l i n ef o u r - c y l i n d e rd i e s e l e n g i n ew a sa n a l y z e d ，t h ep r i n c i p l eo ft h ed e s i g nf o rs e c o n do r d e rb a l a n c em e c h a n i s m w a si l l u m i n a t e d ak i n do f s e c o n do r d e rb a l a n c em e c h a n i s mi n s t a l l e do nd e u t z2 2 6 b i n - l i n ef o u r - c y l i n d e rd i e s e le n g i n ew a sd e s i g n e d d u et ot h em a c h i n e r yc h a r a c t e r i s t i c o ft h i sd i e s e le n g i n e ，n o nf u l l l e n g t ha n das t y l eb a l a n c em e c h a n i s ms e r v e da saf i t t i n g m a n u f a c t u r eo ft h i sk i n do fe n g i n ew a sc h o s e n t h es e c o n db a l a n c em e c h a n i s m d e s i g n e di n t h i sp a p e ri sc o m p a c t ，a n di t c a nb a l a n c e10 0 o fs e c o n do r d e r r e c i p r o c a t i n gi n e r t i a lf o r c eo fd e u t z2 2 6 bi n - l i n ef o u r - c y l i n d e rd i e s e le n g i n e ，b u ti t d o e s n tb a l a n c et h es e c o n do r d e rl a t e r a lt o r q u eo f t h ee n g i n e t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h em e c h a n i s ms h a f to ft h es e c o n do r d e rb a l a n c e m e c h a n i s mw a sb u i l t i nv i r t u eo f t h ea n a l y t i c a ls o f t w a r ea n s y s ，t h es t r e s sa n ds t r a i n o ft h em e c h a n i s ms h a f to ft h es e c o n do r d e rb a l a n c em e c h a n i s mw a sa n a l y z e d t h e s t r e s si nd a n g e r o u ss e c t i o nw a s0 5 6 1 x 1 0 8 p a t r a d e rt h ew o r ks t a t eo f1 0 0 0 0r m i n t h er e s u l tr e v e a l st h a tt h em e c h a n i s ms h a f ti ss a f es u f f i c i e n t l y d y n a m i cl u b r i c a t i o nw a ss e l e c t e di nt h es e c o n do r d e rb a l a n c em e c h a n i s m t h e w o r ks t a t eo fl u b r i c a t i o no ft h eb a l a n c em e c h a n i s mw a sp r e d i g e s t e d ，a n dt h e s t e a d y s t a t ei s o t h e r m a je h lm o d e l i nj i n ec o n t a c t so f t h eb a l a n c em e c h a n i s mw a sb u i l t 山东夫学硕十学付论文 t h i sm o d e lw a sd e a lw i t h t h ee h ln u m e r i c a ls o l u t i o nc a l c u l a t i n gp r o g r a mi sm a d e u pb yu s i n gl a t e s tn u m e r i ca n a l y z i n gs o f t w a r em a t l a b 7 0 ，a n db yw h i c h t h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n df i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no ft h el u b r i c a t i o ns y s t e mo ft h i sb a l a n c e m e c h a n i s ma r eo b t a i n e d d i f f e r e n tw o r ks t a t e sw e r es e l e c t e d ，t h es t a t e so fl u b r i c a t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e d t h er e s u l tr e v e a l e dt h a tt h i n n e s tf i l mt h i c kb e c a m el a r g e rq u i c k l yw i t ht h er o t a t e s p e e d sb e c o m i n gr a p i d i nt h er a n g eo f o 3 0 0 0r m i n t h et h i n n e s tf i l mt h i c kb e c a m e l a r g e s ti nt h er a n g eo f3 0 0 0 4 0 0 0r m i n ，a n dt h e ni t b e c a m et h i n n e rs l o w l y , a n di t b e c a m es t e a d yf i n a l l yw h e nt h es p e e dg o tt o1 0 0 0 0r r a i n ，t h et h i n n e s tf i l mt h i c k m a i n t a i n e dl o 3 01 tmi nt h er a n g eo fw o r kr o t a t es p e e d ，a n dt h el u b r i c a t i o ns y s t e m c o u l da c h i e v es u f f i c i e n tf i l ml u b r i c a t i o n t h er e s u l tr e v e a l e dt h a tt h ed i s a d v a n t a g e o u s s t a t eo fl u b r i c a t i o na p p e a r e di nt h er a n g eo fs l o wr o t a t es p e e d ；t h es t a t eo fl u b r i c a t i o n b e c a m eb e t t e rq u i c k l yw i t ht h er o t a t es p e e d sb e c o m i n gr a p i d ；t h eb e s ts t a t e o f l u b r i c a t i o na p p e a r e di nt h er a n g eo f3 0 0 0 4 0 0 0r m i n ；t h es t a t eo fl u b r i c a t i o n c h a n g e df a i n t l yw i t ht h er o t a t es p e e d sb e c o m i n gr a p i d ，b u ti tm a i n t a i n e di nas t e a d y a n df a v o r a b l es t a t e k e y w o r d ：s e c o n do r d e rb a l a n c em e c h a n i s m ；s e c o n do r d e rr e c i p r o c a t i n gi n e r t i a l f o r c e ；e l a s t i ch y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ；d i e s e le n g i n e v i 【 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：堡鑫日期：呈翌z ! 兰! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：礁磊 导师签 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出背景和研究意义 随着我国基本建设规模的快速扩展，各类土建工程对质量、工期、工艺、安 全、成本及社会效益的要求越来越高，从而有力地推动了与之相关的国内工程机 械市场的快速发展。 在一些长度要求苛刻，而对其高度和宽度的要求相应宽松，但动力性能、扭 矩要求较高的应用场合，直列式四缸柴油机由于外形尺寸相对较小，具有明显的 匹配优势。例如发动机后置式客车，某些工程机械和农业机械，采用直列式四缸 柴油机可视为一种合适的选择。另外，在成熟的六缸柴油机技术平台基础上，生 产直列式四缸柴油机来拓展或部分重叠覆盖，进而满足用户灵活多样的选择，这 也是快速、可靠进入市场，同时降低生产成本和使用成本的不可否定的一种途径。 由于以上原因，直列式四缸柴油机的应用越来越广泛f l 【2 1 。 但是，直列式四缸柴油机具有自己独特的结构，它无法象六缸柴油机那样能 通过自身设计平衡掉二级往复惯性力。改型柴油机的二级往复惯性力相互叠加， 使得陔作用力对柴油机的振动和噪声影响很大，高速运转时，二级往复惯性力的 增大会使直列式四缸柴油机产生剧烈的整机振动和噪声1 3 】【4 】【5 1 。表1 1 为直列式四 缸柴油机与六缸机的往复惯性力的谐量比较。 表i - i 直列式四缸柴油机与人缸机的往复惯性力的谐量比较 一级二级三级四级备注 直列四缸机 04o0 0 8 8 发火顺序i - 3 4 - 2 直列八缸机 0oo0 发火顺序l 。5 - 3 6 2 - 4 近年来随着环保法规的r 益严格，用户对降低振动和噪声的要求也闩趋强烈， 柴油机减振问题已经成为设计、市场应用倍加关注的技术关键。 一般说来，振动引起的危害有以下几个方面：一、恶化机器设备的性能，降 低其可靠性与使用寿命。二、增加额外的功率损耗，浪费能源。三、对环境造成 山女：人学硕十学伊论文 振动噪声污染，破坏其它设备、仪表的正常工作；降低控制、检测系统的精度。 四、恶化操作人员的工作条件，降低工作效率，影响人一机系统的总体性能 f 5 j f 6 l 【7 l 【刖。 从激振力方面来看，直列式四缸柴油机具备以下特点：由二级往复惯性力引 起的振动较为严重，二级往复惯性力无法通过柴油机本体设计予以消除。近年柬， 国内外研发的新型直列式四缸柴油机通过在机体上安装二级平衡机构来解决这个 问题，取得了较好的效果。 本文对直列式四缸柴油机的激振力进行了分析，并根据道依茨2 2 6 b 直列式 四缸柴油机的具体特点，设计研发了二级平衡机构，以平衡陔型柴油机的二级往 复惯性力。本文运用a n s y s 软件分析- j - - 级平衡机构机构轴在不同工作状态下 的应力应变，对危险截面进行了校核。本文运用弹性流体动力润滑知识建立了二 级平衡机构润滑系统弹流模型，并编制程序求得了模型的完全数值解，揭示了该 二缴平衡机构润滑系统在各种工况下的油膜压力分布与膜厚形状。 1 2 二级往复惯性力平衡方式 对于二级往复惯性力的平衡，主要有下面几种方式：平衡块平衡方式、单轴 平衡方式、双轴平衡方式( 二级平衡机构平衡) 。 ( 1 ) 平衡块平衡机构 图1 1 所示为平衡块平衡机构简图，该机构通过安装在发动机前后端的偏心 轮束实现对二级往复惯性力的平衡。平衡块对称布鬣，以发动机曲轴的两倍转速 运转，双平衡块运转方向一致，且与曲轴旋转方向相反，双平衡块旋转对产生的 离心惯性力在垂向的分力之和与二级往复惯性力相平衡。 采用平衡块方案，柴油机的外形尺寸可保持在要求范围之内，对整机系列化 有利，零部件通用化程度高。但是，该平衡机构也存在一些不足，表现如下： 1 ) 偏心质量大，而且同向旋转的双平衡块将产生相对于曲轴中心的3 个附 加力矩，若设计不当，虽能将二级往复惯性力平衡，但附加力矩的激振作用超出 了原二级往复惯性力的激振作用，反而加剧柴油机的振动； 2 ) 箱体承受较大的内力矩，将增大机体附加变形： 第1 章绪论 图l - l 平衡块平衡机构 3 ) 采用平衡块平衡机构势必增加齿轮数量，整机机械效率相对来说差一些， 会增大机械噪声； 4 ) 存在轴承载荷大和转动线速度高的问题。 ( 2 ) 单轴平衡机构 图l 之为单轴平衡机构简图，该机构是将平衡二级往复惯性力所需要的偏心 质量均布于偏心轴段的平衡方式，平衡轴纵贯整个机体，由多点支撑。各轴承负 荷相对较小，其附加变形也较小，油道布置容易，整个系统的可靠性较好。 幽1 2 单轴平衡机构 单轴平衡机构如单纯为平衡二级往复惯性力，理想的平衡轴位置应位于柴油 机曲轴中心，但在实际布置时，要受到连杆运动轨迹及外围附件布置的限制，很 难达到上述要求，平衡轴通常布置在偏离曲轴中心某一位置。偏离曲轴中心的布 置方式虽然原理上可以平衡一部分倾覆力矩，但是会使柴油机下曲轴箱高度或宽 山东人学硕十学位论文 度增大，致使这种平衡方式的使用受到总体布置的限制，特别是对高紧凑柴油机 尤为突出。 ( 3 ) 双轴平衡机构( 二级平衡机构) 典型的双轴平衡机构如图1 3 所示，由柴油机曲轴齿轮驱动机构运转。机构 的驱动轴与从动轴以两倍于柴油机曲轴的转速运转，且转速相反，形成的离心惯 性力合力与柴油机的二级往复惯性力相互抵消。 该机构克服了上述平衡块和单轴平衡机构的不足，平衡轴位置布置相对容 易。设计该机构时，需要注意，应该使柴油机二级往复惯性力与机构离心力合力 之自j 的距离尽量小，以免机构带来的附加力矩过大，导致该附加力矩成为主导振 动的激励。 图1 3 二级平衡机构 1 3 二级平衡机构研究现状 1 3 1 研究现状 偏心质量 e 国内的四缸柴油机受限于原设计，大多数没有采用二级平衡机构。近年来， 一些主机厂丌始考虑在现有的四缸柴油机上加装二级平衡机构，以便达到消除二 4 第l 章绪论 级往复惯性力的要求。国内有些厂家从国外引进的四缸柴油机技术和产品，大都 配备二级平衡机构，见表卜2 。市场反映引进的四缸柴油机比国内的同种机型振 动小、噪声低，舒适感也较好。 表i 一2 国内引进的四缸柴油机加装- 二级平衡机构的情况 机艰b ，s 平衡措施 f m l 0 1 3 1 0 2 13 0设计有平衡机构，按用户要求装或不装 c a t 3 3 0 4 b1 2 l 1 5 2 有平衡机构 4 b t1 0 2 1 2 0 有平衡机构( 考虑成本，装或不装) 1 3 2 国外现状 国外对柴油机的减振性能要求很高，大多数直列式四缸柴油机都安装了二级 平衡机构，见表卜3 i i i 。 从表卜3 中可看出： ( 1 ) 国外绝大多数较先进的四缸柴油机采用y _ - 级平衡机构，而同本f 1 野公 司的j 0 5 c 例外。新推出的四缸柴油机( 缸径d 在l o o m m 左右) 均采用二级平衡机 构，例如r 本三菱公司新设计的四缸柴油机4 m 5 0 、4 m 5 1 和d e e r 4 5 ，甚至f o r d d o h c 2 38 8 8 6 也采用精心设计的二级平衡机构。 ( 2 ) 突破了传统的“在缸径l o o m m 以下，一般不采用二级平衡措施”的设计 概念。例如，o p e l 公司的e c o t e c 2 2 、f o r d 公司的d o h 2 3 ( 缸径8 6 r a m ) 采用了 二级平衡机构。 ( 3 ) 对现存的四缸柴油机，为满足减振降噪的要求，加装二级平衡机构设计， 也是一种补充设计趋势，例如f o r dd o h c 2 3 。 ( 4 ) 原设计和新设计中应用二级平衡机构的，几乎全采用全长平衡( 均匀分 布不平衡配重) ，且由柴油机齿轮系驱动。 山东丈学硕十学竹论文 表1 - 3 国外四缸柴油机加装二级平衡机构的情况 缸径 冲稗排颦功率二级 升功 公司机砸缸数 s d 塞 m mm mlk w 平衡 k w l u d l l l l n s4 e 玎l 41 0 21 2 0 & 9 2 8 8 1 1 8有勉4 5 c 舸必们4 bml 1 5 龟27 呖1 嚣l r 2 8 有1 7 , 4 4 ：寝 4 疆0l 4l m1 2 04 9 0 1 2 91 0 5 有 孤3 3 日野 j 0 1 j c l 4 1 1 41 3 0矗3 l 1 0 7 1 1 4 无 2 0 1 6 二夔 删4 0l 49 51 28 4国1 0 5 有 2 t3 4 丰田 i 配讯l 49 31 0 b2 8 09 6 l 1 1有 3 4 3 0 呱( 鹏p 缸s e r l ( 蛤cl 4l 1 2 7a 9 97 91 z 7 无 1 98 0 衄( i 陌1 0 0 4 - 册瑕l 41 0 01 2 73 9 97 5l2 7 有m 8 0 娲m 0 目c 蚍m1 0 21 3 0t 2 51 2 51 2 7 有 组4 2 d 刚l z仰蚴田m1 0 5 1 2 0 屯1 6 8 7 1 1 4有 2 n9 3 谳6 j x i t cm 9 矗4l o 屯9 3 0 0 l 墙1 1 有 3 9 3 4 冈田d 嘣m8 68 6z 0 01 馄1 有 5 屯循 1 4 发展趋势 二级平衡机构的发展，主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 出典型的“兰氏平衡机构”( a 类平衡) 发展到改进变型的“兰氏平衡 机构”( b 类平衡) 。 就平衡实质而论，四缸柴油机二级平衡机构概念可分为两大类，如图卜4 。 a 类平衡。是指仅对二级往复惯性力进行的平衡设计。它是原始的、传统的、 广泛采用至今的基本类型。其结构布置特点如图卜4 ( a ) 所示，是标准的兰彻斯 特( l a n c h e s t e r ) 原型。这种类型的平衡机构两根平衡轴对称于曲轴中心线，等 高布置。在实际设计中，受柴油机结构限制，最终布置的结构不一定完全符合这 两个条件，但凡是基本符合的都列为a 类平衡。上世纪7 0 年代前设计推出的四缸 柴油机平衡机构基本上都属于此种类型f l 】【9 】【1 0 】【1 4 】。 6 第l 章绪论 中，衡轴 “嘲 醛 j ， i 一+ ( a ) a 类平衡 平桶轴 ( b ) b 类平衡 图卜4 兰氏平衡机构 b 类平衡，是指对二级往复惯性力进行平衡的同时，兼顾平衡倾覆力矩中的 二谐分量( 指由二级往复惯性力引起的倾覆力矩) ，该类平衡机构是上世纪7 0 年 代后期推出的、新设计的四缸柴油机普遍应用的先进平衡机构，如图1 - 4 ( b ) 所 示。与a 类平衡机构相比较，b 类平衡机构保持对称于曲轴中心线，但不等高布 置。r 本三菱公司在上世纪9 0 年代连续推出的不同系列四缸机新产品，都是采用 了b 类平衡机构，并获得明显的降低振动和噪声的效果。表1 - 4 列出三菱公司上 世纪9 0 年代四缸柴油机新产品。 表1 4 三菱公司上世纪9 0 年代四缸柴油机新产品 机刑o sn e n平衡机构 降低振动 投产日期 4 m 4 09 5 1 0 06 9 4 0 0 0高低平衡轴显著1 9 9 3 4 m 5 0 1 1 4 1 2 01 2 9 3 2 0 0 高低平衡轴 显著1 9 9 7 4 m 5 l 1 1 8 1 2 0l1 0 3 2 0 0高低平衡轴显著1 9 9 7 ( 2 ) 由非全长式平衡发展到全长式平衡 按在柴油机上所跨缸数的多少，二级平衡机构可以分为全长式平衡机构与非 全长式平衡机构。 全长式平衡机构是指在柴油机全长范围内布置平衡轴和分配所需不平衡量的 平衡机构，其目的是使不平衡量在柴油机全长范围内分配更为均衡，以减小沿柴 油机曲轴方向的附加倾覆力矩。采用全长式平衡机构的四缸柴油机多是原型设计 山自、人学硕十学何论文 中就设计有二级平衡机构的机型，例如c a t 3 3 0 4 b 、d e e r 、p o w e r 4 5 、4 m 5 0 、4 m 5 1 。 全长式二级平衡机构固定于柴油机底部，此类机构沿柴油机曲轴轴线方向横 跨柴油机的四个缸体l ，如图卜5 。 圈i - 5 全k 式平衡机构 此类二级平衡机构通过合理布置机构轴上的不平衡量，使柴油机二级往复惯 性力的作用线与二级平衡机构运转时形成的离心惯性力合力作用线处在一条直线 上，从而最大限度地减小由于装配二级平衡机构引起的沿曲轴方向的倾覆力矩 1 2 1 。 图卜6 本田直州式四缸柴油机二级平衡机构 在某些场合下，车体对内燃机的外形尺寸要求非常严格，内燃机外形尺寸的 减小，意味着市场商机的增加。在这种情况下，设计者将机构轴安装在内燃机本 第1 章绪论 体内部，如图卜6 。虽然在形式上，在这种内燃机上并不存在一个由壳体支撑的 完整的二级平衡机构，但按其平衡原理同样属于全长式二级平衡机构【“1 1 3 1 。 除全长式平衡机构外其它平衡机构统称非全长式平衡机构，例如4 b t 、 p e r k i n s1 0 0 4 4 t h r 、b f 4 m 1 0 1 3 、o m 9 0 4 l a 、t d 2 2 6 - 4 b 等机型。 全长式平衡机构与非全长式平衡机构的比较见表1 - 5 。 表卜5 全妖式平衡机构与非全长式平衡机构的比较 形式平衡鼙分布受力齿轮直径轴直径适用传动 整机配套 全& 式平柴油机传 均匀均匀 小小 新设计同定 衡机构动齿轮 1 f 全k 式现有机型曲轴曲臂可装 不均匀不均匀夫大 平衡机构新设计齿轮不装 直列式四缸柴油机中，四个缸产生的二级往复惯性力大小方向都相同，所以， 直列式四缸柴油机各缸二级往复惯性力的合力处在柴油机第二和第三缸中问的隔 板处。非全长式平衡机构的总体长度大约为柴油机一个缸体的长度，安装时，将 非全长式平衡机构安装在柴油机第二或第三缸体范围内。这样，直列式四缸柴油 机各缸二级往复惯性力的合力与平衡机构离心惯性力合力虽然大小相等，方向相 反，柴油机的二级往复惯性力可以被平衡掉，但是因为两个力不在同一条直线上， 由此产生一个沿柴油机曲轴轴线方向的倾覆力矩。此倾覆力矩的变化具有周期性。 当柴油机在低速段运转时，这个力矩的峰值不大，对柴油机振动的影响较小，但 随着柴油机转速的提高，此倾覆力矩的峰值增大，达到一定程度，会对柴油机的 振动及噪声产生一定影响。全长式平衡机构由于在柴油机全长范围内御置不平衡 量，二级平衡机构离心惯性力的合力与柴油机二级往复惯性力合力可近似处于同 一条直线上，倾覆力矩的峰值较小，所以全长式平衡机构的减振效果较好 1 1 6 l 【1 7 1 。但是有些类型的直列式四缸柴油机在原始设计中未加装二级平衡机 构，由于柴油机具体结构的限制，又无法安装全长式二级平衡机构。对于此类柴 油机，加装非全长式二级平衡机构是合理的选择。 9 山东人学硕十学付论文 1 5 论文的主要研究内容及章节结构 本文在充分分析道依茨2 2 6 b 直列式四缸柴油机振动特点及结构特征的基础 上，设计研发了一款二级平衡机构，该机构能1 0 0 平衡道依茨2 2 6 b 直列式四缸 柴油机的二级往复惯性力。本文对该二级平衡机构的机构轴受力状况进行了分析。 同时，对该机构润滑系统进行了研究，建立了润滑系统弹性流体动力润滑模型并 求出了模型的完全数值解，从而揭示了润滑系统工作状念。 论文结构安排如下： 第l 章：介绍了课题的来源与背景；介绍了二级平衡机构的研究现状及发展 趋势；阐明了课题研究的重要性及意义。 第2 章：分析了直列式四缸柴油机激振力的特点，指出在该型柴油机中，二 级往复惯性力是引起机体振动不可忽视的一个因素：阐述了二级平衡机构平衡原 理：论述了道依茨2 2 6 b 直列式四缸柴油机的结构特点，并根据其实际情况，选择 了非全长式a 类二级平衡机构；对机构轴不平衡量的布置进行了优化设计；运用 a n s y s 软件对机构轴的应力应变进行了分析。 第3 章：运用弹性流体动力润滑知识，建立了二级平衡机构润滑系统弹流润 滑模型；对模型进行了无量纲化处理，并应用数值分析方法，对模型进行了离散 化处理；选择复合直接迭代法作为该模型求解完全数值解的方法，运用m a t l a b 编制了二级平衡机构润滑系统弹流润滑模型完全数值解求解程序。 第4 章：运用编制的程序求得了机构在不同转速下，机构轴轴颈与滑动轴承 内表面之间浊膜压力与膜厚形状，分析了机构在不同转速下润滑系统的工作状态； 求得了1 0 种不同转速下油膜压力与膜厚形状，并运用曲线拟合得到了二级平衡机 构在工作转速范围内的最小膜厚分布曲线与最大压力分布曲线；求得了在不同的 自j 隙条件下，机构轴轴颈与滑动轴承内表面之间油膜压力与膜厚形状，分析了机 构在不同l 日j 隙条件下润滑系统的工作状态。 第5 章：设计了二级平衡机构减振性能试验与膜厚测量试验，详细介绍了试 验原理、设备及其数据处理方法。 第2 章二级平衡机构结构设计及分析研究 第2 章二级平衡机构结构设计及分析研究 二级平衡机构为柴油机的配套产品，其结构及减振特点应视柴油机的激振力 特点与柴油机的具体结构而定，特别是对于己投产的柴油机，由于其结构已经定 型，在此类柴油机底部不可能留有充足的空间加装二级平衡机构，这给二级平衡 机构的设计与研发带来了困难。 2 1 直列式四缸柴油机的激振力 2 1 1 柴油机中作用力系的基本力源 柴油机中的激振力源分为以下几种5 1 1 6 ： ( 一) 气体压力 由送入柴油机气缸中的燃料快速燃烧而产生的热能，通过曲柄连杆机构转化 成气体压力势能，这是柴油机作功的基本动力来源。该力是一个周期性变化的作 用力，它是构成柴油机振动与噪声的主要激励源。 ( 二) 离心惯性力 当柴油机曲柄转动时，由于曲柄的不平衡形状，形成一偏心的回转质量，此 偏心质量形成离心惯性力。如果偏心质量为m 。，此偏心质量回转半径为足，曲轴 转动角速度为，则离心惯性力为： = m 只m 2 ( 2 1 ) 幽2 - 1 曲柄不平衡离心惯性力图 山东大学硕十学仲论文 这是一个引起柴油机振动的激振力源。力的示意图如图2 - 1 。 ( 三) 往复惯性力 当柴油机运转时，活塞组件在气缸中作上下来回的往复运动，将气缸内气体 压力的势能通过连杆传递给曲轴，带动曲轴以及受功件对外输出功率。图2 - 2 ( a ) 为当量曲柄转角为口瞬日j ( 口从垂直轴起量) ，活塞、连杆、曲柄之| 日j 的结构示意 图。 s = ( a )【b ) 图2 - 2 活塞的运动及其惯性力 经推导计算，活塞组总质量m ，将产生往复惯性力易，它作用于活塞销中心 处，其值随d 角而变化，如图2 2 ( b ) 所示。经推导，往复惯性力p ，的表达式 如下： = - m p i = - m ，r c 0 2 ( c o s a + 2 c o s 2 a ) ( 2 2 ) ( 四) 连杆惯性力 柴油机的连杆一端与活塞相连，其连接中心点即为活塞销中心，它的运动即 为活塞的往复运动，另一端与曲柄销相连，连接中心点为曲柄销中心，其运动为 绕曲轴中心的圆周运动。因此连杆上各点的运动实际上是连杆以活塞销为回转中 心的摆动运动与活塞往复运动之合成。 第2 章：级平衡机构结构设计及分析研究 在处理连杆的惯性作用时，通常用两质量一力偶的当量系统来替代连杆的全 部惯性作用，如图2 3 所示。 幽2 - 3 连杆的当鼙转换图 经当量转化，连杆的惯性力就变成为由m 。产生的往复惯性力，和由肌。：产生 的离心惯性力，它们可以分别与活塞组的往复惯性力以及曲柄的离心惯性力综合 考虑，以简化分析。 但是用以上替代质量所产生的惯性力与实际连杆产生的惯性效应并不完全 相同，它们的差异在于当量连杆的回转效应( 转动惯量) 要比实际连杆大 啦一f ，) ，因而当连杆的摆动角速度为矽时将形成多余的惯性力矩，其值为： m 。= i 扛一，驴 ( 2 3 ) 称为连杆力偶。 连杆力偶是由于采用了当量连杆系统以后多增加的一个惯性力矩，实际效应 应该扣去这一数值，但在周期性的反复作用中，同样是起了激励振动的效应，所 以说可以看作一个除所。及所。：惯性效应外的另一个激励源。 综上所述，柴油机中的基本力源可以归纳为：气体压力、离心惯性力、往复 惯性力以及连杆力偶四项f 引。 2 1 2 倾覆力矩 多缸柴油机的振动激励由其各单缸的激励合成得到，现以单缸柴油机为例说 山尔人学硕十学何论文 明柴油机缸体中倾覆力矩的产生。图2 4 表示了单缸柴油机的基本力源情况。 幽2 4 柴油机基本力源的作用情况幽 气缸内的气体压力尸，向上作用在气缸盖上，向下作用在活塞顶部，上下作用 力抵消，而使柴油机保持不动，所以气体压力不产生对外的作用效应。但是由于 气体压力在活塞处产生一侧推力r ，而在主轴承处，最后又分解成一侧向力，其 大小也是斥，但方向相反，而形成一力矩r 月，这个力矩使柴油机摇倒，称之 为“倾覆力矩”。 柴油机的往复惯性力p 其作用情况与气体压力有相类似之处，但是由于往复 惯性力不存在向气缸盖作用的力，因而不会形成上下抵消的效果，所以，往复惯 性力最终将通过主轴承使柴油机整体产生上下跳动的效应。由图2 - 4 可以看出， 往复惯性力也将产生倾覆力矩，使柴油机产生左右摇倒的趋势。 柴油机的离心惯性力r 是一个使柴油机产生上下、左右跳动的力，连杆力偶 是使柴油机产生左右摇摆的力矩。 当柴油机运转时，整个机组将受到以上力和力矩的作用，由于它们都有周期 性变化的特性，所以将使柴油机产生周期性的跳动或摇动，这就是柴油机运转时 引起整机振动的根源。 第2 章一级平衡机构结构设计及分析研究 2 1 3 直列式四缸柴油机激振力特点及平衡方式 在直列式四缸柴油机的空i 司力系中，存在如f 激励力源： ( 1 ) 合成离心惯性力： ( 2 ) 合成离心惯性力矩m 。； ( 3 ) 合成往复惯性力巳和； ( 4 ) 合成往复惯性力矩m 。和m 巾 ( 5 ) 合成倾覆力矩e r 。 曲柄连杆机构回转质量离心惯性力的平衡，必须满足两个条件：第一、整根 曲轴换算质量的重心与曲轴回转中心线重合；第二、回转质量离心惯性力对曲轴 回转中心线上任意点的力矩之和等于零。 满足第一项条件，柴油机离心惯性力就获得“静平衡”，即= 0 。在直 列式四缸柴油机中，只需在每个曲柄的另一方敷设平衡重块，使之产生的离心惯 性力等于，即可取得静平衡。如图2 - 5 。 ，3 l4 图2 - 5 直列式四缸柴油机离心惯性力平衡图 若能同时满足第一项和第二项条件，柴油机就获得“动平衡”，即= 0 ， m k = o 。当m k o 时，可通过对各缸回转质量或采用的平衡重作适当调 整布置，来达到动平衡一1 。 经过分析可见，由离心惯性力引起的激励力源完全可以通过柴油机本体的设 计调整进行消除。 i j t 尔人学硕+ 学仲论文 合成往复惯性力可分解为合成一级往复惯性力只与合成二级往复惯性力 只。在直列式四缸柴油机中，合成一级往复惯性力匕= 0 ，合成一级往复 惯性力矩m = 0 ，合成二级往复惯性力矩m 胛= o ，但是合成二绂往复惯 性力只。0 。可见就直列式四缸柴油机来说，由往复惯性力引起的激励力源 中，只有合成二级往复惯性力e 。无法通过柴油机本体的设计予以消除 1 1 0 1 1 1 4 】f 1 5j 【1 6 i 。具体分析见2 2 节。 倾覆力矩是柴油机输出扭矩的反转矩，它始终和输出扭矩大小相等、方向相 反。倾覆力矩是由缸内气体压力和曲柄连杆机构往复惯性力产生的，它也具有周 期性变化的特点，并引起柴油机强烈的摇摆振动，是柴油机装置中危害较大的激 励力源之一【用。解决倾覆力矩的常用方法是采用加强机座和地脚螺钉的办法来处 理，当倾覆力矩引起的振动较为强烈时，则考虑采用基座减振对策等问题。采用 b 类平衡的二级平衡机构能够平衡倾覆力矩中的二级谐量。 由以上分析可知，对于直列式四缸柴油机而言，在柴油机本体设计中采用相 应的平衡措旌，或者由于该种机型的特点，大多数激振力都可以予以消除，但是 如果想要平衡二绒往复惯性力，必须装配特殊的机构，二级平衡机构就是专门设 计用柬平衡柴油机二级往复惯性力的机构。 2 2 二级平衡机构设计原理 2 2 1 二级往复惯性力及由其引起的倾覆力矩 由于直列式四缸柴油机的往复惯性力是单缸柴油机往复惯性力的合成，因此 我们先分析单缸柴油机的往复惯性力。如图2 - 6 。 随曲轴旋转，活塞沿气缸中心线往复运动，其位移是与结构参数r 、l 有关、 且以曲轴转角为变量的函数，即： s = r 【( 1 一c o s a ) + l 2 ( 1 一e o s f l ) 】 ( 2 4 ) 式中s 一活塞位移，m ： 1 6 第2 章一：级平衡机构结构设计及分析研究 r 一曲柄半径，i l l ； 五一五= r l ，称为曲柄连杆比： 一连杆中心距，m ； 口一曲柄转角，( 9 ) ； 一连杆与气缸中心线的夹角，( 。) 。 s = 图2 - 6 - 二级往复惯性力计算示意圈 因为c o s f l = l s i n2 口，代入( 2 4 ) 式，得到活塞位移的精确公式： s = r 【( 1 一c o s 口) + 1 2 ( 1 一, 1 一刀s i n 2 口) 】 ( 2 5 ) 按牛顿二项式定理展丌成级数，并略去刀以后的各项，得到工程上精度足够 的通用公式： s = r 【( 1 一c o s a ) + 2 4 ( 1 - e o s 2 a ) 】 ( 2 6 ) 在( 2 - 6 ) 式中，将位移s 对时闯t 求两次导数得到活塞的加速度公式： a = 爱国2 ( c o s a + 2 c o s 2 a ) ( 2 7 ) 国一曲柄旋转的角速度。 由此可得到往复惯性力公式： 只= 朋，r c 0 2 ( c o s a t + 2 c o s 2 0 r ) ( 2 8 ) l u 尔人学硕十学付论文 肼j 一在活塞销中心线处的往复运动集中质量研，= 朋，+ m ，k g ； m 。一活塞组的总质量，始： 一集中在小头的连轩往复运动质量，k g 。 将( 2 8 ) 式写成： 一= 巳+ p 兀 ( 2 9 ) e l p ，j = m ，r 脚2c o s 0 ，称为一级往复惯性力； 一= 肌尺m 2 ) c o s 2 d t ，称为二级往复惯性力嘲蝌。 如图2 - 6 ，二级往复惯性力引起的倾覆力矩计算如下： m 椰= h ( 2 1 0 ) 鸩n 一由二级往复惯性力引起的倾覆力矩，n 。m ； e n ”一二级往复惯性力水平分力，n ； 何一二级往复惯性力水平分力之间的垂直距离，m 。 其中，二级往复惯性力水平分力p ，。和二级往复惯性力水平分力之问的垂直 距离分剐为： 只舢= t a n ， ( 2 1 1 ) h = l c o s f l + r c o s ( 2 1 2 ) 一连孝丁与汽缸中心线夹角，( ) ； 1 7 1 一曲轴与汽缸中心线央角，( 。) ； 一连杆长度，m ： r 一曲柄长度，n l 。 将式( 2 一l1 ) 与( 2 1 2 ) 代入式( 2 一1 0 ) ，可以得到： m ，n = t a n ( 上c o s p + r c o s 口) ( 2 1 3 ) 将二级往复