某90°V6柴油机错拐前后内部激励载荷分析

山西中北大学 暴可

某90°V6柴油机错拐前后内部激励载荷分析

山西中北大学 暴可

目前市场上的多缸内燃机以V型结构居多，尤其是V型6缸柴油机，它具有结构紧凑、强度高、耐用性好以及较好的燃油经济性等特点，被广泛应用于军用装甲车和民用重载运输车等。本文针对某常用90°V6柴油机为研究对象，通过曲轴错拐的方法对柴油机内部激励载荷进行优化设计，以减小内燃机的往复惯性力矩和倾覆力矩，从而减小内燃机的振动与噪声。

曲轴错拐；往复惯性力矩；倾覆力矩

1 错拐前后一次往复惯性力矩分析

由于90°V6柴油机内部存在不平衡的一次往复惯性力矩和二次往复惯性力矩，且存在颠覆量较大的倾覆力矩，如果可以从内部抑制这些载荷，将对控制柴油机的振动与噪声有良好的作用。如果在柴油机内部加装平衡装置，将使整个传动系统变得更加复杂而且需要对柴油机的集体、下箱进行改动，这样对柴油机的安装和尺寸有很大影响，所以此次优化采用曲轴错拐的方法来控制柴油机内部激励载荷。将同拐曲柄的一侧半曲柄销逆曲轴回转方向错位30°，这样90°V6内燃机就可以实现120°发火间隔角均匀发火。

图1 普通曲轴（左）与错拐曲轴（右）对比图

图2 柴油机平衡分析简图

一次往复惯性力矩在X、Y轴的投影分别为：

其中m为单缸往复运动质量，R为曲柄半径，γ为两排气缸间夹角，l为缸心距，λ为连杆比，ω为曲轴转角，α为曲轴角速度。

由于两排气缸间夹角为90°，所以一次往复惯性力矩的矢端轨迹为一个圆，且圆的半径为

错拐之后一次往复惯性力矩在X、Y轴的投影为：

可见错拐之后一次往复惯性力矩的矢端轨迹为一个椭圆，且椭圆的短轴为

图3 错拐前后一次往复惯性力矩对比图

图3为错拐前后一次往复惯性力矩失端轨迹对比，一次往复惯性力矩在错拐前失端轨迹圆的半径为5042.1Nm，错拐后轨迹的椭圆短轴为3565.3Nm，长轴为6175.3Nm，一个工作循环内平均值为4870.3Nm，比错拐前降低了3.4%。

2 错拐前后二次往复惯性力矩分析

同理，错拐前二次往复惯性力矩在X、Y轴投影为：

根据本文研究对象为90°V6柴油机，二次往复惯性力矩合力矩为作用在水平面内的三角函数矢量：

错拐后二次往复惯性力矩为：

图4 错拐前后二次往复惯性力矩将对比图

图4为错拐前后二次往复惯性力矩的对比曲线，错拐前最大峰值为1972Nm，错拐后X、Y轴的最大峰值分别为 985.98Nm、1708.8Nm，错拐后均值为1347.4Nm，下降了31%。

3 错拐前后倾覆力矩分析

其中Pg为缸内气体压力，Pj为往复惯性力，Pj=-mRω2(cosα+λcos2α)。90°V6柴油机是以发火间隔角为90°和150°相间发火，所以整机的倾覆力矩为：

图5 错拐前整机倾覆力矩

错拐后此柴油机可以实现120°发火间隔角的均匀发火。

图6 错拐后整机倾覆力矩

错拐前倾覆力矩最大值为5590.6Nm，错拐后倾覆力矩最大值3684.4Nm，比错拐前下降了34%；错拐前正负峰值差为 8253.2Nm，错拐后正负峰值差为4715Nm，比错拐前下降了43%。

4 结论

90°V6柴油机在自身内部激励载荷中，往复惯性力自身平衡，但是存在不平衡的一次往复惯性力矩和二次往复惯性力矩，并且有浮动较大的倾覆力矩。本文针对此类柴油机错拐前后的数据对比，可以看出以上数据均有不错的改善，可以知道错拐对比90°V6柴油机有较好的优化效果，可以有效控制内燃机的振动与噪声。

[1]张保成.内燃机结果声辐射分析及控制技术研究[D].北京理工大学,2005.

[2]张保成,樊文欣,孟祥伟.双轴平衡机构优化设计及工程实现[J].华北工学院学报,2005,26（3）：171-173.

[3]张保成,赵俊生,樊文欣.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.

[4]张保成,赵振峰,苏铁熊.柴油机错拐曲轴结构强度评估[J].华北工学院学报,2003,24（3）：177-180.

[5]樊文欣.V6柴油机内部激励载荷抑制技术研究[J].中北大学学报,2007,28（3）：202-207.