高速往复式内燃机应用平衡轴降低振动和噪声综述

　　发动机可以通过提高转速来提高功率输出,因而轿车用发动机通常使用高速发动机·然而,往复式内燃机存在不平衡往复惯性质量,不平衡质量引起的惯性力与发动机转速的平方成正比,如图1所示,该图为一直列四缸汽油机有无平衡轴不平衡二阶往复惯性力的对比·加装平衡轴后仍存在一定的不平衡力是由于加工制造及安装误差,不可能做到100%平衡·因此,高速发动机通常振动和噪声也较大·

　　目前,对轿车的舒适性要求越来越高,所以必须控制发动机的振动和噪声·降低发动机振动和噪声可以应用燃烧优化、结构优化、提高加工精度等措施,但经过多年发展及优化这些方法已很难使振动和噪声得到显著降低·

　　加平衡轴可以显著降低高速往复式内燃机的振动和噪声·例如,车内噪声可以降低5~10dB(A)[1-6],振动也得到显著下降·

　　加平衡轴并不是新发展的技术,不同发动机的不平衡惯性力和惯性力矩的平衡计算在文献[3]中有详细介绍·为降低柴油机振动,国内大批量生产的单缸柴油机广泛采用双轴或单轴平衡一阶往复惯性力·最近,由于对舒适性的要求越来越高,越来越多的轿车用高速发动机采用平衡轴系统·例如,据斯太尔-戴姆勒-普赫发动机技术公司介绍,他们公司为世界其他著名汽车公司开发了多种平衡轴系统[4],目前年产量超过一百万套·

　　1　对平衡轴的要求

　　对平衡轴的主要要求是能根据不同发动机平衡掉一阶或二阶往复惯性力、力矩·另外,还有以下更进一步的要求:①摩擦小;②结构紧凑(有时和机油泵一起驱动);③重量轻;④磨损小;⑤噪声低(驱动系统应该优化);⑥对发动机润滑系没有影响;⑦对发动机结构影响小;⑧安装和维修方便·

　　2　平衡轴的结构

　　不同发动机的平衡轴的结构各异·

　　2·1　单平衡轴

　　单平衡轴用于平衡直列三缸机、五缸机或V型六缸机的一阶往复惯性力矩(由不平衡质量产生),这3种发动机的一阶及二阶往复惯性力是自身平衡的,但一阶和二阶往复惯性力矩没有平衡·二阶往复惯性力矩与一阶往复惯性力矩相比是很小的,因此在这些发动机中通常不平衡二阶往复惯性力矩而仅平衡一阶往复惯性力矩·例如,图2为天津夏利三缸直列汽油机的平衡轴[5],其转速与曲轴相同,而转向相反,用以平衡一阶往复惯性力矩·图2中,当第2缸活塞达到上止点时,上、下方向力的平衡:F2=y1+y3,力矩的平衡:G1=x1,G3=x3·也有部分单缸柴油机用单轴平衡一阶往复惯性力·