2.0L 增压直喷发动机平衡轴研究

王泰晟 覃海峰 莫家驹

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心 广西 柳州 545007）

引言

随着科技进步及人们生活水平的提高，人们对汽车的舒适性要求越来越高。发动机作为汽车的核心部件，其性能在很大程度上决定了汽车的性能。发动机的振动和噪声水平已成为发动机及汽车综合性能的重要评价指标之一[1]。往复式发动机由于工作过程的周期性和机件运动的周期性，运转中所产生的旋转惯性力和往复惯性力都是周期性变化的，这些力及力矩如果在发动机内部不能互相抵消，就会通过曲轴轴承和机体传给支架，使发动机产生振动和噪声[2]。

1 试验用发动机

本文主要研究某2.0L 增压直喷发动机平衡轴对发动机振动性能的影响，发动机的基本参数如表1所示。

表1 发动机基本参数

2 平衡轴原理

根据活塞加速度近似公式，往复惯性力为[3]：

式中：一阶往复惯性力为：

二阶往复惯性力为：

式中：mj为往复质量，kg；R 为曲柄半径，mm；ω 为曲轴旋转角速度，rad/s；α 为曲轴转角，°CA；λ 为曲柄连杆比。

由上述公式所得到的往复惯性力示意图如图1所示。其中，一阶往复惯性力由于两两相反，可以自身平衡，二阶往复惯性力不能平衡。

图1 四缸发动机往复惯性力示意图

不能平衡的二阶往复惯性力是发动机整机振动的重要激励源之一，强烈的振动直接影响发动机的NVH 性能和使用可靠性，进而影响车辆的使用性能和驾驶平顺性。二阶往复惯性力无法通过发动机本体的设计予以消除，只能通过安装平衡机构来达到减振降噪的目的。

对于直列四缸发动机，一般运用双平衡轴机构。双平衡轴的原理如图2 所示，2 根平衡轴以2 倍的曲轴转速旋转，可以有效平衡二阶往复惯性力，且它们的旋转方向相反，可以互相平衡。

图2 平衡轴原理示意图

3 理论计算分析

通过建模，对2.0L 增压直喷发动机整机振动进行有无平衡轴对比计算分析。振动分析模型包括发动机缸体、缸盖、曲轴、主轴瓦及主轴承盖、前端盖、凸轮轴罩盖、油底壳、简化后的平衡轴及变速器壳体等，如图3 所示。

通过计算得到拆除平衡轴后缸体、缸盖、前端盖及油底壳的表面振动加速度，见表2。对比发动机带平衡轴及拆除平衡轴后的振动水平，可知拆除平衡轴后，所有区域的振动均有所增大。

图3 振动分析模型

表2 拆除平衡轴后的振动分析计算结果

其中，连接发动机悬置的前端盖，带平衡轴及拆除平衡轴后的X、Y、Z 等3 个方向的表面振动加速度对比结果如图4 所示。从图4 可以看出，带平衡轴时，前端盖的振动性能改善最为明显。

图4 前端盖振动分析结果

4 整车及台架试验

对比有无平衡轴时发动机运行的振动情况，结果见表3。从表3 可以看出，整车试验及台架试验状态下，拆除平衡轴后，所有区域的振动均有所增大，其中，台架试验前端盖Y 方向振动增加最为明显。试验结果与理论计算分析结果基本一致。

整车试验及台架试验时，拆除平衡轴前后，前端盖、油底壳、缸体和缸盖等4 个测点Z 方向的的二阶振动状态分别如图5 及图6 所示。

从图5 及图6 可以看出，无论是整车试验还是台架试验，拆除平衡轴后，前端盖、油底壳、缸体和缸盖等4 个测点Z 方向的二阶振动均明显增加，尤其是在发动机高转速时，这4 个测点Z 方向的二阶振动增加最为明显。

表3 振动加速度测试结果 m/s2

图5 整车试验状态二阶振动（Z 方向）对比

图6 台架试验状态二阶振动（Z方向）对比

5 动力性影响

因为平衡轴采用齿轮驱动的方式，发动机运行时需要提供动力来驱动平衡轴。拆除平衡轴前后的发动机外特性对比如图7 所示。

图7 发动机外特性对比

从图7 可知，驱动平衡轴对发动机的动力性影响很小，基本可以忽略不计。

6 结论

通过对某2.0L 增压直喷发动机有无平衡轴进行理论计算分析以及整车和台架振动试验，可知，拆除平衡轴后，发动机各区域零件的二阶振动均大幅增加。发动机增加平衡轴后，动力性基本不受影响。说明平衡轴对二阶往复惯性力的平衡效果良好，可有效改善发动机的振动品质。平衡轴机构是降低发动机振动、提高整车舒适性非常有效的措施之一。