谈柴油机的平衡与平衡机构的维护

刘丽娟

摘 要：没有良好的平衡机构，柴油机工作会产生强烈振动，带来可怕恶果。从柴油机平衡原理谈起，对使用维护中常见的错误操作导致平衡机构损坏原因进行了分析。

关键词：柴油机；平衡机构；维护

中图分类号：TK422 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.02.025

发动机运转稳定，在每一个工作循环中传给支承的作用力的大小和方向都不改变。而平衡性不好的发动机会引起发动机在机架上振动，影响驾驶的平顺性和舒适性，使驾驶员更加疲劳，以致影响行车安全和作业质量。同时振动引起噪音，消耗能量，降低机器效率，还会引起紧固连接件的松动，降低机器工作的可靠性和耐久性。因此，要采取技术措施，使发动机工作平衡。

对发动机来说，活塞和连杆小头在汽缸内作往复运动时速度极不均匀，中间快，两头慢，在上、下止点改变运动方向的时候速度等于零（加速度最大）。也就是说活塞向下运动时，前半个行程（近似一半行程）是加速运动，往复惯性力向上；后半个行程是减速运动，往复惯性力向下。同理，当活塞向上运动时，前半个行程惯性力向下，后半个行程惯性力向上。换句话说，曲轴转一圈，活塞在汽缸上半部的惯性力是向上的，下半部的惯性力是向下的，并且活塞和连杆的小头的重量越大，曲轴转速越高，往复惯性力越大。就是这个惯性力和离心力使發动机不平衡，引起振动。为此，在195系列柴油机上采用了双轴平衡或单轴平衡。曲柄上（连杆轴颈相反的一侧）装配平衡重块用来平衡旋转惯性力；平衡轴上装配平衡重块用来平衡往复惯性力。

1 柴油机平衡原理

双轴平衡原理是曲轴齿轮经中间齿轮分别驱动，各带有一平衡重块的一对平衡轴，这一对平衡轴重量相同，旋转方向相反。为了满足平衡要求，两平衡轴与曲轴转速相同，即曲轴齿轮与平衡轴齿轮齿数相等。平衡重块产生的离心力，其两个水平分力与往复惯性力平衡；两个垂直分力方向相反，互相抵消。在安装平衡块时，应使活塞处于上止点位置时平衡重块偏向最右侧，保证实现往复惯性力的平衡。

虽然双轴平衡性好，但结构比较复杂，制造成本较高。所以有的柴油机采用了单轴平衡机构。它是用曲轴曲柄上的平衡块和平衡轴上的平衡块来平衡往复惯性力的。曲柄上的平衡块转动时产生的离心力分两部分：水平分力平衡往复惯性力的一半，垂直分力则构成一个新的不平衡力。因此，单靠曲柄上的平衡块不能完全平衡往复惯性力，需另加一根平衡轴，通过一对齿轮由曲轴驱动，其转速与曲轴相同，转动方向相反。这根平衡轴上也装有一个平衡块，它产生的离心力也分成两部分：水平分力把剩下的一半往复惯性力平衡掉了，垂直分力和曲轴平衡块产生的分力互相抵消，实现了往复惯性力的完全平衡。但是，两个垂直分力不是作用在同一条直线上，由此产生一个不平衡的力矩。所说的部分平衡，就是没有平衡掉这个力矩，这是单轴平衡的缺点。

必须注意，不管是单轴平衡还是双轴平衡，都要使曲轴和平衡轴保持位置上的相对关系，也就是齿轮啮合位置不能错。否则，非但不能实现平衡，还可能造成更大的不平衡。发动机出厂时，各齿轮都刻有安装记号，安装时要对准记号。

2 使用中常见错误实例

（1）更换零件的质量误差过大。柴油机出厂时设计部门己经过严格计算，平衡轴与曲轴、连杆、活塞等产生的离心力是基本平衡的。所以在更换它们中的任何一个零件时，都要严格按原件质量进行选配，使它们之间的质量差严格控制在发动机零件要求的规范内（活塞允差5 g、连杆允差10 g，活塞连杆总成允差30 g，平衡轴允差20 g）。对一台大修后震动异常的柴油机进行拆检时发现曲轴、平衡轴质量与原机相差200 g以上，连杆质量相差150 g以上，都大大超过了规定的标准。因此，在修理此类单缸柴油机时，要重视配件的质量关系。

（2）装配错误。一台195型柴油机平衡齿轮损坏，更换同一型号、同等质量的平衡机构总成，启动后产生剧烈振动。重新拆下检查发现，平衡机构总成的平衡齿轮装反。原来机手在安装时，因没找到平衡块上的配对记号，只好凭经验把平衡齿轮上的配对记号对准平衡块的缺口处安装，结果正好错过180°，致使平衡机构不仅起不到平衡作用，反而增加了离心力。

在正常情况下，平衡机构偏重所产生的惯性力和曲柄连杆机构运动时的惯性力相抵消，从而保证了柴油机工作的平稳性。但在柴油机拆装、维修过程中，如果将平衡轴装错，不仅不能起平衡作用，反而会引起更大的振动，甚至造成平衡轴的断裂。

（3）齿轮原啮合位置改变。一台X195型柴油机连续断了三根平衡轴，其断裂部位是在平衡轴与平衡轴固定盘的连接部位。起初误认为平衡轴质量差，但换上新平衡轴，装机后没多久又断了。经认真检查，发现平衡轴与机体的连接位置发生了变化。其原因是：由于原固定平衡轴的螺钉松动，螺钉与机体产生摩擦，致使机体螺钉孔径扩大，这样，虽然紧固了螺钉，但平衡轴齿轮与曲轴齿轮原啮合位置发生了变化，造成柴油机震动加剧。

（4）转速剧变。对柴油机而言，平衡轴偏重产生的惯性力与曲柄连杆机构的惯性力相平衡，但就平衡机构本身来说，这个惯性力仍然是由平衡轴及轴承来承担的。所以，当转速急剧变化时，离心力骤然增大，极易造成平衡轴断裂。例如“飞车”事故，有不良的猛轰油门习惯等，均会使平衡轴受到比平时大若干倍的惯性力。endprint