混合动力车用三缸汽油机曲轴平衡设计

李佳家

摘 要：汽车动力系统发展日益多元化，混合动力效降低燃油消耗及排放，同时有效的解决了纯电动汽车的里程焦虑问题，市场份额不断增加。由于混合动力发动机运行工况较传统发动机更窄，更多的利用自然吸气发动机的高效率区。但是，由于混动系统较传统动力增加了电动系统，为解决整车布置问题，需要匹配更紧凑的三缸发动机。本文基于四缸自然吸气发动机，研究三缸自然吸气发动机曲轴结构及平衡重的设计，并对曲轴的扭振进行评估。结果表明：采用四平衡重结构并将平衡重偏心30°布置，可以使得在最小力偶的情况下，实现旋转惯性力矩的平衡;该三缸自然吸气发动机曲轴扭振的最大振幅为0.070 deg，满足扭振评价要求。

关键词：汽油机;混合动力;曲轴平衡;平衡重

Abstract： The development of automobile power system is becoming more and more diversified. The hybrid efficiency reduces fuel consumption and emissions. At the same time， it effectively solves the mileage anxiety problem of pure electric vehicles， and the market share is increasing. Because the operation condition of the hybrid engine is narrower than that of the traditional engine， more efficient areas of the naturally aspirated engine are used. However， because the hybrid system adds an electric system to the traditional power， in order to solve the vehicle layout problem， it needs to match a more compact 3-cylinder engine. Based on the 4-cylinder naturally aspirated gasoline engine， this paper studies the design of crankshaft structure and balance weight of 3-cylinder engine， and evaluates the torsional vibration of crankshaft. The results show that the balance of the moment of inertia can be achieved with the minimum couple of forces by adopting the four balance weight structure and arranging the balance weight at an eccentricity of 30 °. The maximum amplitude of the crankshaft torsional vibration of the three cylinder naturally aspirated engine is 0.070 deg， which meets the requirements of torsional vibration evaluation.

Keyword： Gasoline engine; Hybrid Vehicle; Crankshaft balancing; Balance weight

前言

为了满足日益严格的油耗及排放法规，实现节能减排的目的，汽车动力系统呈现多元化发展的趋势，在未来很长一段时间内，内燃机仍然占据着汽车动力的主要份额，其将主要以混合动力及纯内燃机两种形式存在[1]。由于小排量三缸发动机，相对于四缸机，其运动部件更少，摩擦损失更低，相对来说效率更高;同时，自然吸气发动机热效率也较增压发动机更高;外形尺寸更紧凑，对于微小型车及混合动力车，发动机舱布置兼容性更好;与成熟的四缸机产品形成平台化，减少对现有生产制造系统的改造[1-2]。三缸机由于点火间隔、曲轴平衡特性等问题导致的NVH问题一直是限制其大范围应用的关键所在，但是，由于混合动力的应用，其工况运行范围较传统纯内燃机动力更窄，主要利用发动机的高效率区间，其振动问题得到很大程度的缓解。

本文基于现有四缸1.5L发动机产品，研究平台化的三缸发动机产品曲轴平衡重设计，并通过计算分析，评估其扭振等性能，为三缸小排量发动机开发提供指导。

1 三缸小排量自然吸气发动机简述

本文研究的三缸小排量自然吸气发动机，原型机为四缸1.5L自然吸气发动机，其排量为1.0L，点火顺序为1-3-2，点火间隔240°CA，其主要参数如表1所示;基于产品平台化的考虑，其连杆长度、缸体高度等关键结构参数保持与原型机一致，以尽可能的降低对产品生产系统的影响。

根据发动机曲柄连杆机构动力学理论，直列三缸发动机的一阶往复惯性力、二阶往复惯性力、旋转惯性力是自平衡的，但其往复惯性力矩和旋转惯性力矩是不平衡的[3-4]。该三缸发动机通过设置平衡重来平衡旋转惯性力矩，在飞轮、皮带轮设置偏心重来平衡往复惯性力矩。

2 三缸發动机曲轴结构设计

2.1 平衡重布置

由于直列三缸发动机曲轴的结构限制，其平衡重主要有三种布置形式，2平衡重，4平衡重，8平衡重，如图1所示。

對比三种曲轴平衡重布置形式，2平衡重结构虽然结构简单，但是其曲轴内弯矩会随着发动机转速的升高不断增加，将导致发动机的抖动加剧;6平衡重结构的曲轴内弯矩最小，但是其结构复杂，重量大，不利于曲轴的轻量化;4平衡重结构各项性能相对均衡。通过对市场上的发动机进行对标分析，4平衡重结构曲轴比例较高，综合考虑，选择4平衡重结构作为该小排量三缸发动机曲轴结构形式。

2.2 平衡重偏心设计

在直列三缸发动机中，以第二缸的中心为基准，根据解析法可知曲轴旋转质量综合惯性力矩矢量的方向与第二缸曲柄方向一致，力偶作用平面与第一缸曲柄夹角为-30°，如图2所示。

图2中，1、2、3分别代表曲轴第1、2、3曲柄的位置;1'、3'分别为第1、3缸平衡重的位置;M为曲柄旋转质量综合惯性力矩矢量方向;Mcw为平衡重旋转质量综合惯性力矩矢量方向;M1为第1曲柄旋转质量惯性力矩矢量方向;M3为第3曲柄旋转质量惯性力矩矢量方向;Mcw1为第1平衡重旋转质量惯性力矩矢量方向;Mcw3为第3平衡重旋转质量惯性力矩矢量方向;为了满足旋转惯性力矩的平衡，并使得力偶最小，需将平衡重偏心30°，其曲轴布置形式如表2所示。

2.3 平衡重尺寸设计

发动机曲轴的平衡重主要用于平衡旋转惯性力矩，基于前文确定的平衡重布置形式及偏心设计结构，进一步通过计算获得平衡重的质径积，为后续平衡重的尺寸及外形设计作为设计输入。

根据发动机曲柄连杆机构动力学理论[5-6]，直列三缸发动机曲轴旋转质量综合惯性力矩∑Mr为：

为实现曲轴旋转惯性力矩的平衡，平衡重产生的旋转惯性力矩需要与曲柄旋转总质量产生的旋转惯性力矩相等，既：

根据式（1）、（2）、（3），可推导出单个平衡重质径积与曲柄质径积的关系为：

将该发动机的行程、连杆大头等效质量、曲柄销等效质量、曲柄臂等效质量代入式（2）中，计算得到（Wr）c曲柄质径积为39.28 kg﹒mm，再根据式（4）计算得到单个平衡重的质径积为17.01 kg﹒mm。

基于不改变原型机缸体宽度及高度的设计原则，需保证平衡重与缸体曲轴箱内表面不发生运动干涉。保持与原型机平衡重最大外径一致，对平衡重结构尺寸进行设计，以满足平衡重质径积的要求。新设计平衡重最大外径为68mm，厚度14.9mm，满足运动间隙要求，如表3所示。

3 曲轴动力学分析

通过搭建曲轴动力学模型，对设计的该直列三缸发动机曲轴进行动力学分析，进一步验证平衡重结构设计是否满足设计要求，并分析评估其扭振特性，为皮带轮及飞轮设计提供设计输入[7-8]。

3.1 曲轴动力学模型

本文采用Lotus Concept Crank Train软件对该三缸发动机曲轴进行动力学模型搭建，如图4所示。

模型中曲轴皮带轮及飞轮相关参数借用原型机参数，以评估其设计是否满足三缸发动机的NVH需求，并为后续设计优化提供指导。

由于该三缸发动机与原型机相比，升功率升扭矩参数保持一致，参考原型机的缸内最大爆发压力试验值，设定该小排量三缸自然吸气发动机的最大爆发压力75bar，作为曲轴动力学分析时的载荷边界，最大爆发压力曲线如图5所示。

3.2 动力学分析结果

该小排量三缸发动机曲轴动力学模型曲轴自由振动的计算结果如图6所示，由图可知该三缸发动机曲轴往复惯性力、旋转惯性力均为0Nm（图6a），在竖直方向上存在一、二阶的往复惯性力矩不平衡（图6b），水平方向上的旋转惯性力矩已经通过平衡重进行平衡，与第一章节中的曲轴动力学理论相一致。往复惯性力矩需要通过飞轮、皮带轮、悬置系统进行吸收。

该小排量三缸发动机曲轴动力学模型曲轴扭振分析结果如图7所示，由图可知该三缸发动机曲轴扭振各阶次振幅最大值为0.070 deg。Lotus LCCT软件对于评价扭振的推荐值为：各阶次振幅要求小于0.15 deg[9]。从分析结果可知，该三缸发动机在借用原型机皮带轮及飞轮的情况下也可以满足曲轴扭振的设计要求。

4 结论

（1）基于直列四缸自然吸气发动机开发的三缸自然吸气发动机，由于点火间隔的变化需要重新设计曲轴结构。

（2）对于采用四平衡重结构的三缸发动机，将平衡重偏心30°布置，可以满足平衡旋转惯性力矩的目的，存在的旋转惯性力矩需要通过平衡轴等技术进行平衡。

（3）该直列三缸自然吸气发动机曲轴系统扭振最大振幅0.070 deg，满足扭振评价要求，皮带轮、飞轮等零件存在借用原型机零部件的可能。

参考文献

[1] 韩志玉，吴振阔，高晓杰.汽车动力变革中的内燃机发展趋势[J] 汽车安全与节能学报，第10卷第2期，2019年：146-160.

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[5] 何邦全，姚春德，刘增勇，等.三缸发动机的平衡与结构设计[J].小型内燃机，2000，29（4）：5-7.

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[8] Masaru Kinoshita，Takeshiro Sakamato， Hideo Okamura.An Experi -mental study of a Torsional/bending Damper Pulley for an Engine Crankshaft. SAE891127.

[9] Lotus Concept Crank Train Help [CP].Version 4.0.2g，2008.