曲轴平衡块配置对比应用研究

0 引言

为了满足日益提高的排放法规要求，同时降低燃油消耗，轻量化设计成为目前发动机设计的主要方向。曲轴质量在发动机总质量中的占比较大，故曲轴的轻量化设计对发动机轻量化较为重要。直列四缸发动机曲轴通常采用曲拐夹角为180°的四拐五档设计，本身已实现动平衡。但是这种结构存在比较大的内弯矩，曲轴高速旋转运转容易造成曲轴的变形。为了改善曲轴内部不平衡，减少主轴承负荷、内力矩及保证最小油膜厚度等，需要合理布置平衡重。一般四缸机是全平衡的设计，平衡重的质量矩相同且成镜面对称布置，通常采用八平衡块或四平衡块设计。作者以国内知名的柴油发动机制造企业开发的国六3.0L轻型柴油发动机为例，前期按照八平衡块方案设计曲轴，该方案曲轴满足发动机扭振、整机振动及可靠性等需求，但是这种平衡块布置导致曲轴重量偏重。因此，基于轻量化的考虑，进一步开发四平衡块曲轴。通过对两种不同平衡重布置方案的曲轴的平衡率、扭振、结构强度、主轴承EHD的计算对比，结合台架试验进一步验证两种方案对发动机扭振及整机振动、可靠性等影响，来验证为实现降重而采用四平衡块配置曲轴方案的可行性。

根据式（17）可以计算得到点云中的某三维点X所对应于候选纹理视图中的像素坐标。仅当计算得到的像素坐标pi位于候选视图的图像范围内可见，则将pi所在像素坐标的颜色信息赋予三维点X作为纹理信息。

表1为发动机基本参数。

1 设计计算

1.1 曲轴平衡率计算

该机型四平衡块曲轴和八平衡块曲轴设计如图1所示。两个方案曲轴的平衡率对比如下：

(1)四平衡块曲轴平衡率41%；

(2)八平衡块曲轴平衡率52%。

世界各国的儿童，3周岁的时候就被帕帕国用轮船接走(大人不许送子女去帕帕国，如有不从，要被处以相当重的罚款)，满16周岁，帕帕国轮船将他们送回自己的国家，这时他们都已成才了，可以回去建设祖国。孩子们在帕帕国每年享有3个月时间的“团圆假”，回家去同各自的父母团圆，共享天伦之乐。

四平衡块曲轴的平衡率相对八平衡块曲轴有明显的降低，有可能会造成主轴瓦润滑变差，需要计算主轴承EHD确认主轴承润滑情况再做进一步评价。

1.2 扭振计算

经对各支脚测点振动对比分析可知，发动机左、右前支脚及右后支脚振动中， 2阶振动为主要振动。各测点各方向2阶振动测试结果如图6。

此次改造耗时40天，改造后烟化炉余热锅炉运行平稳，第一、第二对流管束顶部烧损的问题得到解决，改造取得了良好效果，满足工艺生产的需求。具体运行效果如下：

除曲轴不同外，其余边界输入一致进行扭振计算。扭振计算结果中，扭转角位移如图2、图3所示：

（二）语文教学自由化。语文教学自由化包括尊重学生的自由。小学阶段，学生的身心均需要处于一个良好的、轻松的学习环境当中。该种学习环境并非无纪律性的环境，而是通过轻松的学习氛围营造自由的学习状态。只有在此情况下，学生方能够根据自己内心的需求，逐渐敞开自己的内心，由此更加自由的进行问题的思索与学习。盖章教学模式下，学生能够享受到学习的快乐，亦能够获得学习的成功，收获丰富的知识。相对于传统的“你方唱罢我登场”的问答教学方式，教学效果更加明显。

由计算结果可见，两个方案曲轴最大单阶次扭转振幅均在4阶，其中四平衡块曲轴方案扭转振幅值为0.18deg，比八平衡块方案的0.15deg，增加20%；四平衡块曲轴方案合成阶最大扭转振幅为0.5deg，相对八平衡块曲轴方案的0.49deg变化不大。两种状态曲轴单阶及合成阶振幅均满足评价标准要求。

1.3 曲轴强度计算

曲轴强度计算采用多体动力学和有限元相结合的方法计算曲轴强度，多体动力学使用AVL EXCITE建模，模型如图4所示。

恶性病变共有10例，主要分布在胸部与腹部，CT检查显示病灶区域密度不均匀，有点状钙化病灶存在，病变周围组织出现受压，增强扫描检查显示病灶区域有不均匀强化。MRI检查显示颈部为T1WI、T2WI高信号，增强扫描不存在强化。

通过动力学计算得到主轴颈和曲柄销的载荷谱结果，结合ABAQUS有限元软件获取半拐模型的单位载荷结果，用Femfat软件计算曲轴圆角最小疲劳安全系数。

曲轴强度计算结果为：

(1)四平衡块曲轴主轴颈圆角最小疲劳安全系数为1.57，在第五个曲柄臂处；曲柄销最小疲劳安全系数为1.32，在第四个曲柄臂处。

(2)八平衡块曲轴主轴颈圆角最小疲劳安全系数为1.67，在第五个曲柄臂处；曲柄销圆角最小疲劳安全系数为1.22，在第五个曲柄臂处。

四平衡块曲轴相对于八平衡块曲轴，主轴颈圆角最小疲劳安全系数降低5.98%，而曲柄销圆角最小疲劳安全系数增加8.20%，均满足评价标准。两种状态曲轴结构强度差异较小，不同部位各有优劣，可安排可靠性试验进一步验证。

1.4 主轴承EHD计算

从1981—2017年南丰柑橘发展来看，种植面积在20世纪80年代逐年增加，产量呈上升趋势，平均单产为5 100 kg／hm2。受1991年冻害影响，全县有2／3以上的树冻死，后期属恢复生产期，种植面积从1992年的1 358 hm2到2000年的12 102 hm2，增长了近10倍。2001—2010年，柑橘种植面积从12860hm2增至38 709 hm2。2011—2013年，种植面积持续增加，2013—2017年种植面积稳定在46 470 hm2，平均单产在 27 588 kg／hm2。

如前面所述，曲轴平衡块配重方案改变，平衡率改变，四平衡块曲轴平衡率相对八平衡块曲轴明显降低。而平衡率改变会影响主轴颈对轴瓦的载荷分布及大小，故需要评估不同平衡率状态曲轴对主轴瓦EHD的影响。通过主轴承EHD计算，能够有效预测轴承和轴径的受载情况以及轴承内油膜润滑情况。按同样的边界输入，分别对两种状态曲轴进行主轴承EHD计算，结果对比如表2。

发动机扭振测试结果显示，扭振主要阶次为4阶、6阶、8阶，测试结果如图5。

2 台架测试

通过仿真计算结果可见，四平衡块方案曲轴扭振、结构强度、主轴承EHD计算均满足设计评价要求，在该型号柴油机上应用理论上是可行的。下一步需要再通过试验验证两种曲轴方案在该发动机上的扭振、整机振动和可靠性差异，进一步确认四平衡块配置曲轴方案在该机型上应用的可行性。

2.1 扭振及振动测试

两个曲轴方案的扭振及振动对比，通过控制相同的测试边界，在同一台发动机上，分别换装四平衡块和八平衡块曲轴进行试验。

通过实际生产的经验证明，利用CORS技术进行地形图测量相比常规的测量手段有很大的优越性，不仅节省了人工成本，测点密度也能符合成图的需求，有效地提高了测图的效率[2]。

2.1.1 发动机扭振测试

(1)发动机与台架的连接采用橡胶软垫，与测功机采用连接盘连接；

(2)将扭振工装安装在曲轴自由端，发动机全负荷运行，从最低稳定转速(800r/min)程控在约120s内均匀加速到发动机标定点转速停止，采集轴系扭振数据，反复多次，选择最有代表的一组数据读取扭振值。

生物炭对盐渍化农田土壤的改良效果研究进展………………………………………………………………… 王 凡，屈忠义（68）

具体的试验方法如下：

通过对两个方案开展EHD分析发现：四平衡块曲轴方案在最大扭矩点工况下，最大总压、粗糙接触压力及摩擦功率损失比率这几个指标是劣化的，劣化率较高；而在标定点和超速点工况下无明显劣化，甚至有些指标是得到较大的改善。两个方案曲轴的计算结果均在评价标准范围内。四平衡块曲轴相对八平衡块曲轴，不同工况EHD计算对比有劣化、有改善，针对劣化的指标的影响，可通过可靠性试验进行验证。

由上图可知，装四平衡块曲轴与八平衡块曲轴相比，发动机主要阶次(4阶、6阶、8阶)扭振大小基本相当，扭振主要阶次的最大值远小于参考限值，均满足评价要求。

从古代的挖泥法到今天水利疏浚工程，河道清淤疏浚技术已日渐成熟。如今在有关管理部门的努力下，我国加大了对清淤疏浚技术和人才的投入，水利疏浚也成为治理江河的关键 工程。造成河道淤积的原因有很多种, 像河道不稳定，植被覆盖少，气候干旱以及严重的水土流失等都会造成很多泥沙汇入河道。有些地区是因为土壤为细砂性风砂土,结构较松散，因此沙尘暴天气多，沙尘落入堵塞河道。针对巨大清淤需求,采用机械清淤进行大面积地处理，是目前主要的方法。清淤疏浚恢复河道的抗洪和灌溉能力，促进水资源的健康持续发展和农业经济的发展。

2.1.2 发动机转速波动

同一台发动机，分别装两种方案曲轴进行怠速、最大扭矩点转速、标定点转速测试，评估对比四平衡块曲轴与八平衡块曲轴对转速波动的影响差异，结果如表3。由表3可知，装四平衡块曲轴的发动机与装八平衡块曲轴的发动机相比，转速波动基本相当。

2.1.3 发动机整机振动测试

针对温度上升，作物蒸腾加速、水分损失增多、干旱发生几率加大的情况，采用先进的滴灌、喷灌、渗灌、微灌等技术，减少无效蒸散和渗漏，提高作物的水分利用效率。

在同一台发动机上分别换装四平衡块曲轴和八平衡块曲轴，台架连接机脚及软垫一致。布置左、右前支脚及右后支脚测点(左后支脚由于台架空间原因无法布置，故后端只有右后支脚测点)。

曲轴扭振计算主要采用AVL-Designer软件，其中曲轴刚度的计算使用Abaqus有限元软件。

课题组在长三角地区的苏州、无锡、杭州和上海四地的劳动力市场发放了3 400份调查问卷。利用“出生时的户籍”（城市/农村）、“近30年来家中是否有过被征地的情况”（有过/未曾有过）这两道题遴选出失地农民（这两道题是参与上述开放式问题作答的前置条件），在剔除掉无效作答样本之后，最终获得有效样本513份。这些样本的被试，均具有出生时为“农村”户籍、近30年来家中“有过”被征地情况的特征。鉴于这些被试都在劳动力市场中求职，可将其视作“失业或无业状态”中的失地农民。被试的人口学特征如表1所示。

由图6可知：

(1)发动机左前机脚主要振动中，装四平衡块曲轴和装八平衡块曲轴相比，上下、左右方向2阶振动基本相当；前后方向2阶振动略大。

(2)发动机右前机脚主要振动中，装四平衡块曲轴和装八平衡块曲轴相比，前后、上下方向2阶振动基本相当；左右方向2阶振动略小。

(3)发动机右后机脚主要振动中，装四平衡块曲轴和装八平衡块曲轴相比，上下方向2阶振动基本相当；前后、左右方向2阶振动略大。

由发动机整机振动对比结果可见，发动机装四平衡块曲轴相对装八平衡块曲轴，整机振动略大，但差异不明显。

2.2 可靠性测试

装四平衡块曲轴方案和八平衡块曲轴方案的发动机，分别开展500h三超(超速、超负荷、超爆压)可靠性试验及负荷循环可靠性试验，试验过程监控均无异常，试验完成后拆检，曲轴及相关部件均无异常，均通过可靠性考核。。

3 结论

综述，通过对该轻型柴油发动机进行两种曲轴平衡块配置方案的仿真计算及台架试验对比表明：

(1)四平衡块曲轴相对八平衡块曲轴，无论是仿真计算，或是台架试验实测，发动机扭振主要阶次最大振幅、合成阶最大振幅相当；实测发动机转速波动、整机振动相当；

(2) 四平衡块曲轴相对八平衡块曲轴，平衡率相对低；但曲轴结构强度、主轴承EHD计算结果评价指标各有优劣；均通过可靠性试验考核。

因此，该轻型柴油发动机采用四平衡块配置曲轴替代八平衡块配置曲轴是可行的。该发动机通过采用简化平衡块配置曲轴方案实现了重量降低，达到轻量化的目的，同时降低发动机成本，提高了该机型的市场竞争力。

[1]毕玉华;申立中;雷基林;徐跃强，曲轴平衡块配置对曲轴动力润滑特性影响的仿真研究[J]，昆明理工大学学报(自然科学版)，2013-02-15.

[2]徐跃强;毕玉华;申立中;雷基林，发动机主轴承EHD分析研究，科学技术与工程[J]，2010-12-08.

[3]程勉宏;龚鹏;李播博，发动机扭转振动试验研究，汽车实用技术[J]，2020-09-30.