三缸发动机振动问题如何解决?仅靠平衡轴吗?

三缸发动机振动问题如何解决?仅靠平衡轴吗?_58汽车

三缸发动机振动问题主要通过多种方法解决,不仅限于平衡轴。旋转惯性力通过配重平衡块在曲轴上加以平衡,根据设计需求可采用不同数量的平衡块。往复惯性力则需平衡轴来平衡一阶和二阶惯性力矩,大多采用一根平衡轴进行部分平衡。此外,工程师还通过优化皮带轮、齿轮设计,如采用大质量惯性曲轴皮带轮、去耦式平衡轴齿轮等来提升平衡效果。有些发动机则采用过量平衡法,在飞轮或皮带轮上加不平衡设计来降低振动。

对于三缸机而言,振动发生的原因主要是工作过程的周期性和机件运动的周期性,运转所产生的旋转惯性力和往复惯性力都是周期性变化的。这些力在机内如果不能相互抵消,传给支承的力也会不断的变化。然后由于输出转矩的波动,也会造成支反力的变化。

总之,发动机之所以会发生振动,是由于

1、发动机转矩是周期性变化的

2、旋转惯性力,往复惯性力是周期性变化的

那么以三缸机为例,振动问题是如何解决的呢,且听慢慢道来:

1、旋转惯性力

旋转惯性力是绕曲轴中心作旋转运动的运动质量产生的离心力,惯性力又能产生相应的力矩;这些就是振动的来源。

旋转惯性力与力矩可以通过配重来消除。

对于四冲程三缸机,其点火间隔为720°/3=240°,所以其旋转惯性力是平衡的,但是其力矩不是平衡的,需要用平衡块加以平衡。

如图为平衡块以及曲轴图:

曲轴图:

几种平衡方法:

【感谢内燃机原理的图!!】

首先有完全平衡法(a方案),在每个曲柄上都加一个平衡块,此时共有六块平衡块。显然,6块平衡块时主轴承负荷最轻。

其次有整体平衡法(b方案),在曲轴的第一块曲柄和第六块曲柄上各加一块平衡块,此时需要2块平衡块。这种方案所需平衡块质量最轻,但主轴承负荷最重。而且使用2块平衡块的方案需要加厚曲轴两端的曲柄,使曲轴和机体,气缸盖的长度加大;或者加大平衡块的旋转半径,此时会导致连杆长度加长。

最后,有两者折中的,用四块平衡块(C方案)。

具体用哪种方案,不同发动机各有不同。

就这样旋转惯性力解决了

2、往复惯性力的平衡活塞组件和连杆在气缸内往复运动会产生惯性力。往复惯性力由一阶和二阶往复惯性力组成。对于三缸机而言,跟旋转惯性力一样,其一阶和二阶往复惯性力也是平衡的,但是一阶和二阶惯性力矩都不平衡。往复惯性力始终沿气缸轴线作用,会引起支承的纵向振动。特别说明的是,曲柄图呈中心对称的单列式发动机,往复惯性力都是平衡的。力矩作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内,力矩矢量方向与该平面垂直。如图所示为三缸机的往复惯性力及纵向力矩示意图。由b图可以看出,一阶惯性力FI=0,表示三缸机一阶往复惯性力是平衡的;FII=0,也表示二阶惯性力也是平衡的。由c图可以看出,一阶惯性力矩最大值MI=2M+I;二阶惯性力矩最大值MII=2M+II这两阶惯性力矩都不平衡。因此,三缸机需要平衡轴来平衡惯性力矩!接下来就是说说平衡轴的时间了:平衡轴的反向转动(这里指的是相对曲轴转动方向而言),能缓解发动机的振动,大多数三缸机都会采用平衡轴设计,通常都采用加装一根平衡轴来平衡一阶力矩。从理论上来说,三缸机的不平衡力矩完全可以用四轴平衡掉,即除了在曲柄上加平衡重外,另加设两根平衡轴,组成一组双轴平衡装置,平衡一阶惯性力矩;如果再要平衡二阶往复惯性力矩,则还要一组双轴平衡装置,但是由于发动机结构等方面的限制,大多采用半平衡法,仅平衡掉部分力矩以减轻发动机的振动。如图平衡轴:【感谢汽车之家的图】当然,为了达到平衡性,工程师们也是很拼的,不仅仅是平衡轴上下文章,还有在皮带轮,齿轮上下了很多功夫。比如:这位PSA的1.2THP,就运用了大质量惯性曲轴皮带轮,去耦式平衡轴齿轮,在平衡轴从动齿轮上增加去耦橡胶圈等等。【感谢汽车之家的图】当然还有任性不加平衡轴的:如果不加平衡轴,采用过量平衡法可以达到提高平衡效果的目的。过量平衡法既简单,又能提高平衡效果,降低垂直方向振动效应。过量平衡法是指在平衡重上加上额外的重量,或者在皮带盘或者飞轮上加一定量的平衡重量。这种平衡法就需要在飞轮,皮带轮上下文章了用这种方法的有福特的Ecoboost系列。EcoBoost1.0T去掉了平衡轴,而在飞轮与皮带轮上采用“不平衡”设计,飞轮设计成偏心式的,重点是偏心式飞轮。【感谢易车网的图】

2、往复惯性力的平衡

活塞组件和连杆在气缸内往复运动会产生惯性力。往复惯性力由一阶和二阶往复惯性力组成。对于三缸机而言,跟旋转惯性力一样,其一阶和二阶往复惯性力也是平衡的,但是一阶和二阶惯性力矩都不平衡。

往复惯性力始终沿气缸轴线作用,会引起支承的纵向振动。特别说明的是,曲柄图呈中心对称的单列式发动机,往复惯性力都是平衡的。

力矩作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内,力矩矢量方向与该平面垂直。

如图所示为三缸机的往复惯性力及纵向力矩示意图。

由b图可以看出,一阶惯性力FI=0,表示三缸机一阶往复惯性力是平衡的;FII=0,也表示二阶惯性力也是平衡的。

由c图可以看出,一阶惯性力矩最大值MI=2M+I;二阶惯性力矩最大值MII=2M+II

这两阶惯性力矩都不平衡。

因此,三缸机需要平衡轴来平衡惯性力矩!

接下来就是说说平衡轴的时间了:

平衡轴的反向转动(这里指的是相对曲轴转动方向而言),能缓解发动机的振动,大多数三缸机都会采用平衡轴设计,通常都采用加装一根平衡轴来平衡一阶力矩。

从理论上来说,三缸机的不平衡力矩完全可以用四轴平衡掉,即除了在曲柄上加平衡重外,另加设两根平衡轴,组成一组双轴平衡装置,平衡一阶惯性力矩;如果再要平衡二阶往复惯性力矩,则还要一组双轴平衡装置,但是由于发动机结构等方面的限制,大多采用半平衡法,仅平衡掉部分力矩以减轻发动机的振动。

如图平衡轴:

【感谢汽车之家的图】

当然,为了达到平衡性,工程师们也是很拼的,不仅仅是平衡轴上下文章,还有在皮带轮,齿轮上下了很多功夫。

比如:这位PSA的1.2THP,就运用了大质量惯性曲轴皮带轮,去耦式平衡轴齿轮,在平衡轴从动齿轮上增加去耦橡胶圈等等。

【感谢汽车之家的图】

当然还有任性不加平衡轴的:

如果不加平衡轴,采用过量平衡法可以达到提高平衡效果的目的。过量平衡法既简单,又能提高平衡效果,降低垂直方向振动效应。

过量平衡法是指在平衡重上加上额外的重量,或者在皮带盘或者飞轮上加一定量的平衡重量。

这种平衡法就需要在飞轮,皮带轮上下文章了

用这种方法的有福特的Ecoboost系列。EcoBoost1.0T去掉了平衡轴,而在飞轮与皮带轮上采用“不平衡”设计,飞轮设计成偏心式的,重点是偏心式飞轮。

【感谢易车网的图】

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