某V形柴油机平衡分析和平衡设计

张宏亮，樊文欣

（中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051）

某V形柴油机平衡分析和平衡设计

张宏亮，樊文欣

（中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051）

利用MATLAB对某V形柴油机进行了平衡分析，针对不平衡力（矩）进行了平衡机构设计，并借助数学建模软件Lingo对平衡轴设计参数进行优化，实现了100%平衡二次往复惯性力的目标，并部分衰减了倾覆力矩，达到了较为满意的平衡效果。

发动机；平衡分析；平衡机构设计

0　引言

发动机的振动主要是由于发动机运行中不平衡的惯性力（矩）及倾覆力矩造成的，因此安装平衡机构对发动机进行平衡设计就是利用平衡机构产生力（矩）抵消发动机自身产生的不平衡力（矩），从而达到发动机整机平衡的目的。

1　某V形柴油机的平衡分析

某柴油机V型夹角为60°，有8个汽缸。采用平面四曲拐的镜面对称曲轴和并列连杆机构，设计发火顺序为：1-8-3-6-4-5-2-7（即：L1-R4-L3-R2-L4-R1-L2-R3），则该机发火间隔为60°～120°相间发火，柴油机曲柄夹角θ=180°，汽缸夹角γ=60°，可以把它看作是2台直列式四缸机按60°夹角的组合来分析其平衡性。

首先要分析惯性力系。有结论：对于等缸间距发动机，若各曲拐在曲轴的轴向视图上成星形对称，则有各缸一阶往复惯性力和旋转惯性力矢量和为0；若各曲拐分布相对于中央主轴颈成镜像对称，则各缸一阶往复惯性力矩和旋转惯性力矩的合力矩为0。因此，首先对柴油机的曲拐分布进行分析，如图1所示，可见该曲轴满足曲柄图星形对称的条件，故该发动机一阶往复惯性力和旋转惯性力为0，旋转惯性力和力矩都能实现自平衡。

应用MATLAB编制程序，得到该发动机单缸和整机的平衡分析结果，如图2所示，可知：该发动机机存在不平衡激励二次往复惯性力，其值为一常数，矢端轨迹为一圆，初始相位滞后曲轴转角30°，以2倍曲轴角速度进行旋转变化，且旋向与曲轴相同；倾覆力矩最大值为4 956.843 552 N·m。

2　某V形柴油机的平衡设计

（1）涉及变量

X中包含以下变量：（1）平衡轴的结构参数R、r、ys1、ys2、d及偏心轴段长度L及材料的密度ρ；（2）双轴的安装位置参数Lx、Ly、ε，其中Lx、Ly已经确定，偏角ε是为了使双轴在旋转时所产生的附加力矩能最大限度地抵消倾覆力矩而将平衡轴在曲轴中心与平衡轴中心连线的垂直位置处斜向外偏转的角度。

平衡轴设计图如图3所示。

所设计的平衡机构的约束条件为：①双平衡轴旋转产生的离心力的合力必须在任何曲轴转角的位置都能100%平衡柴油机的二次往复惯性力，即：∑PjII=2Qcos（ε-θ），此条件可通过设计平衡轴的结构参数、保证偏心轴段的偏心质量来实现；②设计变量中的各个元素，都须根据柴油机的具体情况（如允许偏心轴段的长度、安装位置等），在相应的上下界允许范围内。

（2）目标函数

选定的双轴旋转产生的附加力矩M′n与原倾覆力矩Mn的合力矩M的最大值与最小值之差为目标函数，且要求目标函数最小。

应用数学建模软件Lingo，优化平衡轴的设计参数，所得设计数据为：

3　平衡机构的平衡能力校核

以上所设计的平衡轴，单轴旋转产生的离心力Q= 9 443.993 663 N，偏角为ε=-6.85°，则双轴机构对二次往复惯性力的平衡率为：

9443.993663×cos（-6.85°-11.673 7°））=99.995 759 8%可认为该平衡机构已100%平衡二次往复惯性力。

未加平衡机构以前该柴油机的倾覆力矩见图4。

倾覆力矩MN最大值为4 480 N·m，最小值为-949.4 N·m。最大值与最小值之差为：ΔM=5 429.4 N·m

加平衡机构以后的倾覆力矩见图5。

倾覆力矩MN最大值为5 004 N·m，最小值为182.5 N·m。最大值与最小值之差为：ΔM=4 821.5 N·m，与加平衡机构前相比减小了607.9 N·m。

4　总结

利用MATLAB对某V形柴油机进行了平衡分析，针对不平衡力（矩）进行了平衡机构设计，并借助数学建模软件Lingo对平衡轴设计参数进行优化，实现了100%平衡二次往复惯性力的目标，并部分衰减了倾覆力矩，达到了较为满意的平衡效果。

【1】张保成，赵俊生，樊文欣，等.60°V8发动机平衡分析及平衡机构设计［J］.内燃机工程，2002，23（2）:20-23.

【2】赵丕欢.柴油机平衡分析及平衡机构优化设计［D］.太原:中北大学，2009.

【3】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，2009:57.

【4】杨寿藏，陈云彪.现代先进发动机技术——平衡和振动（1）［J］.柴油机设计与制造，2002（4）:29-32.

【5】李双虎.发动机平衡分析及平衡优化设计［D］.太原:中北大学，2010.

【6】徐兆坤，孙树亭，吴伟蔚，等.四缸内燃机振动分析及其对策［J］.噪声与振动控制，2007（6）:51-53.

【7】张树亭，张有.四缸柴油机平衡设计的趋势［J］.柴油机设计与制造，2002（4）:4-8.

【8】殷明娟.8缸V型柴油机轴系平衡设计研究［J］.大连铁道学院学报，2000，21（2）:14-17.

A V Diesel Engine Balance Analysis and Balance Design

ZHANG Hongliang，FAN Wenxin
（College of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China）

Balance analysis was carried out to a V-type diesel engine using MATLAB.In view of the unbalanced force（torque），balance mechanism design was carried out.And with the help of mathematical modeling software Lingo，the balance shaft design parameters were optimized.The goal of 100%balancing secondary reciprocating inertia force is achieved，and the overturning moment is attenuated.A relatively satisfactory balance result is reached.

Engine；Balance analysis；Balance mechanism design

2015-05-26

张宏亮（1989—），男，硕士研究生，研究方向为发动机振动与噪声控制。E-mail:zhanghl1989423@163.com。