某四缸发动机平衡轴抱轴问题的分析与解决

左云 冀晓栋 于鹏飞 李佳 孙富强 宋清哲

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

某四缸发动机平衡轴抱轴问题的分析与解决

左云1，2冀晓栋1，2于鹏飞1，2李佳1，2孙富强1，2宋清哲1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

平衡轴系统配合间隙的设计要考虑形状公差及位置公差、材料线膨胀系数等因素的综合影响，考虑不全面会导致实际工作的配合间隙不合理，过大或者过小都可能导致抱轴问题的发生。优化配合间隙能够有效地解决抱轴问题，但需要重新评价对整机润滑系统、NVH性能的影响并加以验证。试验结果表明：间隙的优化有效解决了平衡轴抱轴问题，同时对系统油压、NVH性能带来影响在可接受的范围内。

平衡轴抱轴配合间隙NVH润滑系统

引言

随着人们对汽车舒适性要求越来越高，发动机的减振降噪变得尤为重要，平衡轴作为一种重要的振源控制机构被广泛的应用。相对平衡轴系统对发动机NVH性能的贡献度而言，平衡轴系统本身的设计被人们所忽视，比如说配合间隙的设计。本文结合某四缸增压直喷汽油机平衡轴抱轴问题的分析与解决过程，较为详细地分析与验证了平衡轴系统配合间隙的设计对于发动机润滑系统、NVH性能及可靠性的影响[1～4]。

1 平衡轴的应用

直列式内燃机存在着不平衡的旋转惯性力和力矩、不平衡的往复惯性力和力矩以及倾覆力矩。忽略高次的影响，四冲程直列四缸机存在不平衡的二次往复惯性力，它可以用以曲轴旋转角速度2倍旋转的正、反转轴加以平衡。本文涉及的直列四冲程四缸发动机（基本参数见表1）采用上述方法对二次往复惯性力进行平衡，同时为了减轻曲轴的内力矩，减轻轴承载荷，该曲轴设置8平衡重，其布置形式见图1。

表1 发动机基本参数

图1 曲轴结构形式

1.1 平衡轴布置及结构形式

该发动机的平衡轴采用LAN Chester式布置形式，两根平衡轴高度错开（h1＞h2），分别布置在缸体两侧，平衡二次往复惯性力，其布置形式见图2。

图2平衡轴布置形式

图3 为一侧平衡轴装配后的剖面图，平衡轴通过套筒安装在缸体平衡轴安装孔内，套筒通过螺栓固定在缸体上，套筒相对缸体静止，起支撑轴承和止推轴承的作用，平衡轴采用强制润滑方式。

图3 装配剖面图

1.2 抱轴问题的描述

发动机在进行台架磨合试验时，首次运行4200 r/min、50%油门开度，扭矩、机油压力直线下降，同时传出机械异响，停机检查未发现明显故障，盘车检查，无法转动发动机。图4为问题发生过程时台架监控的发动机扭矩、主油道机油压力数据。

图4 扭矩、机油压力突降曲线

对问题发动机进行拆解，发现左侧平衡轴抱死，对总成进行线切割，见图5。

图5 左侧平衡轴剖切照片

2 问题分析排查

2.1 润滑系统排查

排查台架数据，在问题发生前发动机共运转13 h，台架检测数据未发现任何异常，油温、油压均满足发动机的台架试验要求。进一步排查，发动机机油液位在机油标尺上下刻度之间，机油泵无卡滞，油道无堵塞；试验前各零部件均进行过清洗以及清洁度测试。

排除由于润滑系统异常导致平衡轴系统润滑不良而抱轴的可能性。

2.2 零部件质量排查

复检同批次的平衡轴及缸体，对装机前检测数据的真实性进行确认，确认检测数据真实有效，所有零部件满足设计要求。并根据测量数据对配合间隙进行计算，计算数据见表2。

表2 平衡轴配合间隙实际测量值mm

通过对平衡轴数据的确认及缸体的检测，确定平衡轴及缸体配合尺寸满足产品设计要求，排除零部件质量问题导致平衡轴抱轴问题的发生。

2.3 产品设计排查

对设计过程文件进行排查，设计文件中进行了配合间隙的计算，但在校核配合间隙时未考虑各轴颈的形状公差，相对轴颈之间的位置公差，材料线胀系数的影响。

2.3.1 设计间隙的影响

表3为平衡轴设计配合间隙及形状、位置公差要求。从设计角度出发，在极限配合（最小配合间隙、最大同轴和圆柱度）情况下，套筒与平衡轴配合间隙几乎为0。对于滑动轴承，配合间隙过小，会产生临界摩擦，同时考虑工作过程中可能产生的变形，导致平衡轴在高速时由于配合间隙过小而抱轴。

表3 设计配合间隙及形位公差要求mm

2.3.2 零部件材料的影响

套筒材料为ADC12，缸体材料为HT250，平衡轴材料为QT600，套筒的线膨胀系数为缸体和平衡轴的两倍以上，见表4。随着发动机转速的提高，轴承工作温度升高，套筒受热膨胀，由于套筒与缸体配合间隙小，膨胀空间有限，在热应力的作用下套筒内孔变小，轴与套筒的配合间隙减小，不利于油膜的形成，局部会发生边界摩擦甚至干摩擦，温度会因摩擦产生的热量不能被润滑油及时带走而急剧升高，将会因摩擦热致使铝套内壁拉毛，直至烧熔而抱死。

表4 材料线膨胀系数α

2.4 结论

通过对润滑系统、零部件质量、设计配合间隙进行排查，确定导致本次平衡轴抱轴问题的真正原因为：

1）现有配合间隙设计偏小，未考虑各轴颈的形状公差、相对轴颈之间的位置公差的影响，尤其是材料线胀系数的影响；

2）套筒与缸体的线胀系数差异比较大，致使冷态与热态情况下配合间隙的差异较大。

3 整改方案制定及试验验证

针对以上分析结果，提出以下整改方案，同时重新对润滑系统、整机NVH性能进行分析验证。

方案一：增大轴承的配合间隙；

方案二：对轴承结构、材料进行更改，减小配合零部件之间的材料线膨胀系数差异。

3.1 方案设计

结合设计整改对开发周期、产品成本等因素的综合考虑，确定采用方案一来解决平衡轴抱轴问题。增大平衡轴与缸体的配合间隙，为套筒受热膨胀提供空间；增大平衡轴与套筒的配合间隙，保证在极限情况下的轴承间隙，更改前后的配合间隙数据见表5。

表5 更改前后配合间隙mm

3.2 配合间隙增大对润滑系统影响的分析

配合间隙的增大会引起泄油量的增加，在同等条件下，系统的机油压力会有不同程度的降低，对配合间隙更改前后的主油道机滤后位置、缸体主油道末端、缸盖主油道末端机油压力进行检测。图6为配合间隙增大后系统机油压力的降低值，最大压降为缸盖末端21.5kPa，出现在5000r/min。

图6 配合间隙更改前后机油压力对比

平衡轴配合间隙增大后，使系统机油压力有所降低，但降低后的机油压力仍满足系统的设计要求。

3.2 配合间隙增大对NVH性能影响的分析

对于滑动轴承，当轴承间隙增大时，油膜压力和轴承的轴心轨迹将发生较大的变化，会导致机体振动加剧，噪声增大。对更改前后最大配合间隙的平衡轴在整机上的表现进行了振动和噪声的测试。

图7为配合间隙增大后发动机总振动级增加值，峰值出现在5000r/min附近，幅值为0.597g；图8为配合间隙增大后发动机一米声压级增大值，峰值出现在5000r/min附近，幅值为0.991 dB（A）。

图7 配合间隙增大后总振动级增加值

图8 配合间隙增大后一米声压级增加值

增大配合间隙后，振动、噪声均增大，对发动机NVH性能有所劣化，但满足一米声压级≤98 dB（A）的设计要求，可以接受。

4 可靠性试验验证

对更改后的平衡轴最大、最小配合间隙进行400 h可靠性验证，根据《汽车发动机可靠性试验方法》对试验后平衡轴磨损情况进行判定，属于摩擦表面一般磨损分类中的B类，轻度磨损。需要借助高精度圆柱度仪才能测出磨损量，见图9。最小配合间隙磨损量≤4 μm，最大配合间隙磨损量≤2.5 μm。

图9 完成可靠性后轴承检测数据

配合间隙增大后的最大最小配合间隙均满足整机的可靠性要求。

5 结束语

通过增大配合间隙方案能够有效地解决平衡轴抱轴问题，虽然为系统机油压力及整机NVH性能带来负面影响，但均满足设计要求，且通过了可靠性的试验验证。相对结构、材料的更改所带来的周期及成本问题，该方案直接有效。配合间隙更改进行的试验验证，对于平衡轴开发过程中配合间隙设计经验积累有着很重要的意义。

1庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006

2李双虎.平衡轴机构在机械振源控制中的应用研究[J].现代制造工程，2010（4）：128～132

3杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社，1981

4张保成，苏铁熊，张林仙.内燃机动力学[M].北京：国防工业出版社，2009

The Analysis and Solution of Balance Shaft Journal Sticking for a Four Cylinder Engine

Zuo Yun1，2，Ji Xiaodong1，2，Yu Pengfei1，2，Li Jia1，2，Sun Fuqiang1，2，Song Qingzhe1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center）

The comprehensive influence of form tolerance，position tolerance，linear expansion coefficient of material and other factors should be considered during the design of fit clearance.Incomplete consideration will result that the fit clearance in real work has too much deviation with theoretical calculation，which can lead to journal sticking.The changing of fit clearance can effectively solve journal sticking，but it also has some negative effects to lubrication system and NVH performance of complete engine.The design change needs detailed verification.

Balance shaft，Journal sticking，Fit clearance，NVH，Lubrication system

TK421

A

2095-8234（2014）-0049-04

2014-05-22）

左云（1987-），男，本科，助理工程师，主要研究方向为发动机设计。