直列四缸曲轴的平衡性分析

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Balance Analysis on Crankshaft of In-Line Four-CylinderKANG Bo ，L 己，Shumei 1，ZHANG Baojian 1，ZHU Chenyi2(1.College of Materials Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 20 1 620，China；2.Shanghai Aichi Forging Co.，Ltd.，Shanghai 201814，China)Abstract：The static balance and dynamic balance of a in-line four-cylinder crankshaft were analyzed。

M atlab programming software was used to calculate the crankshaft dynamic balance.The calculationresults show that the calculation value of balance algorithm by matter decomposition and vector syntheticis more consistent with the actual value，the crankshaftS balance can be optimized by modifing theparameters of couterweight.The algorithm designed can achieve direct dynamic balance analysis duringthe design process，greatly improve the accuracy of the calculation and reduce the time and cost forcrankshaft design。

Key words：crankshaft；dynamic balance；M atlab software；balance optimization曲轴是发动机的重要部件，曲轴和由曲轴、连杆等零件组成的曲柄连杆机构，必须满足平衡要求，否则会引起缸体振动、轴承寿命缩短等严重后果.曲轴的平衡可分为静平衡和动平衡l1]，静平衡是曲轴的几何轴线与旋转轴线重合，旋转时各曲拐的离心合力为零；动平衡是曲轴的各曲拐偏心质量收稿 日期 ：基金项 目：作者简介 ：通信作者 ：在旋转时产生的惯性力和惯性力矩为零 .静平衡和动平衡是曲轴设计时需要考虑的重要因素，本文以上海爱知锻造有限公 司生产 的 06d02直列 四缸曲轴为对象，分析其动平衡性能，为曲轴的轻量化设计提供参考。

2013-O5-28上海工程技术大学大学生科研创新资助项目(CSI20501I)康 博(1993-)，男，在读本科生，研究方向为材料成型与控制工程.E-mail：602172263###qq.corn刘淑梅(1968-)，女，副教授，硕士，研究方向为模具 CAD/CAM/CAE.E-mail：sgwymm###sohu.corn第 2期 康 博，等：直列四缸曲轴的平衡性分析1 曲轴零件模型及主要尺寸本研究的 06d02型曲轴属于水平分模的直列四拐曲轴，有 8个平衡块，机加工后的零件形状如图 1所示.曲轴的 8个平衡块 w ～w 都不用机加工，而主轴颈 M ～M 、连杆轴颈 P ～P 和大小头的台阶轴需进行机加工。

岍 图 1 曲轴 实体模型Fig.1 Crankshaft entity model2 曲轴的平衡分析直列四缸曲轴的曲柄销和连杆大头反方向两侧分别布置两个等重的平衡块，曲拐夹角为 180。，曲轴成对称结构，质心位于旋转轴线上，本身达到了理论上的静平衡L3]。

2.1 外平衡分析曲轴的动平衡分为外平衡和内平衡.外平衡是指曲柄连杆机构惯性力和惯性力矩的平衡，内平衡是指曲轴离心力矩和离心力矩的平衡.曲柄连杆机构主要由曲轴、连杆、活塞组成，其运动形式为活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动.图 2为曲柄连杆机构的运动简图。

圭 塞 i图 2 曲柄连杆机构简图Fig.2 Structure diagram of crank mechanism根据曲柄连杆机构的运动特点，可以得到活塞速度： (sin a ) (1)活塞加速度：n： R(c。s a ) (2)活塞惯性力： Fm(U R COS d-co s-2a) (3)、 ， ，式(3)中， Rcos a为-次惯性力，由活塞质量产生，沿曲柄销行程方向， 为 0。和 180。时-次惯性力值最大 ；m(o2Rcos 2a/n为二次惯性力 ，也是 由活塞产生，沿曲柄销垂直行程方向.由推导出来的活塞加速度式(2)可知，以曲轴转角为变量，活塞在上、下止点之间的-次和二次加速度曲线均为余弦曲线 ，如图 3所示。

Z 鳍神图 3 曲轴 的惯性力Fig.3 Inertia force of crankshaft直列四缸可以看成由两台直列、180。相位差的两缸发动机组合而成，其所有的曲柄位于同-平面内.从图 3可以看出，当-缸、四缸活塞向上止点运动时，二缸、三缸活塞向下止点运动.由此可知，当- 缸、四缸活塞向上运动所产生的惯性力可以与二缸、三缸活塞向下运动所产生 的惯性力相平衡 ；同理，当-缸、四缸活塞在下止点位置向下运动所产生的惯性力可以与二缸、三缸活塞在上止点位置向上运动所产生的惯性力相平衡.当活塞接近上止点时，二次惯性力与-次惯性力方向相 同且 向上.但是，当活塞接近下止点时，二次惯性力方向与-次惯性力方向相反且向上.-缸活塞和二缸活塞之间产生-对-次力偶，后端三缸活塞和四缸活塞之间产生另-对-次力偶 ，两个力偶-个顺时针 ，另-个逆时针，且大小相等.因此，两者相互抵消，虽然产生内应力，但这些内应力可以由内部刚度吸收。

由以上分析可知，对于往复惯性力，除二次惯性力外，其他都己平衡.根据杨寿藏等 研究，四缸曲轴的平衡重恰 好平衡 掉 了 4个 活塞 产生 的二 次惯性力。

2.2 内平衡分析曲轴已实现外平衡，但不合理的平衡重设计将导致曲轴旋转时离心合力及离心合力矩不为零，将在轴承上产生余弦函数的附加作用力，造成轴承寿第 2期 康 博，等：直列四缸曲轴的平衡性分析表 2为曲轴动平衡理论计算值与实际值的对比.由表 2可知，动平衡计算数值与实际值偏差较小，有较高的准确性，并且由于计算流程过程操作简单，可供广大工程人员使用。

表2 曲轴动平衡计算值与实际值的对比Table 2 Comparison between calculation value andactual value of cranksha dynamic balance3 曲轴动平衡优化在曲轴的实际加工中，为了保证曲轴的机加工质量和终平衡效率，要求质量轴线和几何轴线保持- 致L6].然而大多数曲轴的供应商都面临质量中心孔和几何中心孔偏移较大的问题，会加大加工难度，加快刀具磨损，这就需要不断地优化曲轴毛坯的动平衡性能以提高机加工效率和终平衡率。

曲轴的油孔、油道、曲柄臂、主轴颈承载着应力、润滑等功能，不可轻易改变参数.因此平衡块是最理想的改进曲轴动平衡性能的结构lL7].由计算结果可知，曲轴的不平衡量位于 A面 89.96。方向、726.7 g·mm；B面 90.83。方向、862.8 g·mm.根据式(4)的平衡原理和反复试验，最终的改进方案为 ：大 端 的平 衡 块 外 径 由 148.00 mrn减 少 至146.75 ITlm，减少量为 -1.25 miTt；小端的平衡块外径由148.00 mm减少至 146.50 ITlm，减少量为- 1.50 mlI1，如图 7所示。

图7 曲轴平衡块优化方案Fig.7 Optimization solution of cranksha counterweight以上两种平衡块改进方案的动平衡量优化结果见表 3.由表 3可知，经改进后的曲轴 A面动平衡量减少了98.3%；B面减少了 98.4% ，使得曲轴在设计阶段最大程度地减少了不平衡量，为后续加工创造了有利条件。

表 3 曲轴动平衡优化结果Table 3 Optimization results of crankshaft dynamic balance4 结 语06d02型直列四缸曲轴的静平衡和外平衡已经满足要求，应用 Matlab软件编译曲轴的质径积分解与矢量合成算法，可以精确地计算曲轴的动平衡，并通过修改平衡块参数达到了优化曲轴动平衡的目的，为曲轴的动平衡设计及曲轴轻量化提供参考。