CN109555816B - 一种改善三缸发动机平衡性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善三缸发动机平衡性的方法，所述方法是通过在曲轴的前后端分别去除部分材料以产生不平衡量，且控制不平衡量的垂直分量与发动机原一阶往复惯性力距相位相反、绝对值相等，以使三缸发动机的平衡性得以改善。相比与现有技术的平衡方式，此方案结构更紧凑、实现更方便、质量更轻、成本更低。
Description
技术领域
本发明属于汽车发动机技术领域，具体涉及一种改善三缸发动机平衡性的方法。
背景技术
随着经济型轿车成为中国乘用车市场的主力军，小排量汽车的应用越来越广泛，同时对它的动力性，舒适性，平稳性等各项指标也越来越高。三缸发动机作为其中的一款小型机，具有功率高和结构紧凑等优势，但从振动角度出发，三缸机平衡特性不如四缸机，其本身不平衡的内、外力矩，是引起发动机整机以及整车低频振动主要原因。
在已有的技术中，以往的改善三缸发动机平衡的方式大致可分成三种类型: 第一种,在曲臂上敷设平衡重；第二种,除在曲臂上敷设平衡重外,另外再加装一根平衡轴；第三种，对某些要求更高的发动机,为了彻底平衡往复惯性力矩,除了在曲臂上敷设平衡重外,另敷设两根平衡轴,组成一组双轴平衡装置。所以,对三缸发动机来说,如果要得到较好的平衡效果,通常要采用结构较复杂的单轴平衡法或者更复杂的双轴平衡法,这样,不但提高了制造成本,整机的可靠性也有所下降。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种改善三缸发动机平衡性的方法，目的是在不增加额外平衡重的前提下，达到平衡效果。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种改善三缸发动机平衡的方法，所述方法是通过在曲轴的前后端分别去除部分材料以产生不平衡量，且控制不平衡量的垂直分量与发动机原一阶往复惯性力矩相位相反、绝对值相等，以使三缸发动机的平衡性得以改善。
作为优选的，所述方法具体包括如下步骤：
步骤一、计算出三缸发动机自身未平衡的一阶往复惯性力矩；
步骤二、以步骤一计算出的一阶往复惯性力矩的绝对值作为曲轴前后端去除材料部分产生不平衡量的垂直面内力矩值，通过垂直面内力矩的计算公式∑ M＝m1r1ω2L1cosα1-m2r2ω2L2cosα2确定前后端去除材料部分的质量及质心半径之积，其中，m1r1＝m2r2，m1、m2分别为前端及后端附加质量，r1、r2分别为前端及后端附加质量的质心半径，ω为曲轴角速度，L1、L2分别为不平衡质量质心距第二缸中心的距离，α1、α2为上止点以顺时针向分别与前端及后端不平衡质量质心形成的夹角，且α1与α2相差180°；
步骤三、根据曲轴前后端的布置空间，分别选取前后端去除材料的一个位点以确定质心半径，通过以质心半径为定值，根据步骤二的计算结果确定所需挖去材料的不平衡质量，再通过去除不平衡质量以改善三缸发动机的平衡性。
所述步骤一中一阶往复惯性力矩的计算公式为
∑Mj＝-mjRω2l[cosα-cos(α+120°)]，其中，mj为往复质量，R为曲拐半径，ω为曲轴角速度，l为连杆长度，α为曲轴转角。
所述步骤二中不平衡量通过曲轴前端皮带轮与后端飞轮挖去部分材料产生。
所述去除材料部分的形状呈扇形结构，且去除材料部分的半径方向远离旋转中心。
所述方法还包括核查不平衡量产生的力矩是否能达到预期的力矩转移率的步骤，若未达到所需的力矩转移率，可微调步骤二中的参数。
步骤二中的α1、α2作为相位角的值固定不变，力矩转移率是可调整的。
所述方法通过控制力矩转移率使发动机振动水平得到改善。
本发明的有益效果：本发明提供一种新的过量平衡方式，，来改善三缸发动机的外部平衡特性，采用过量平衡法将力矩转移，不平衡量通过曲轴最前端皮带轮与最后端飞轮挖去部分材料产生，而无需在曲臂上布置额外的平衡块，减小了曲轴的空间尺寸需求，较适用于结构紧凑的三缸发动机；并且由于不平衡重位于曲轴系的最前及最后端，不平衡块的轴向距离较大，力矩转移率相同的情况下，所需要的不平衡量更小；此外，本专利是通过挖去部分材料来产生不平衡量，而不是在曲轴系统上增加质量块，达到同样的平衡效果所用的成本更低。相比与现有技术的平衡方式，此方案结构更紧凑、实现更方便、质量更轻、成本更低。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明曲轴前端皮带轮去除材料的结构示意图；
图2是本发明曲轴后端飞轮去除材料的结构示意图；
图3是本发明曲轴前后端轴向位置结构示意图。
图中标记为：
1、前端皮带轮，2、后端飞轮，3、上止点，4、前端去除材料部分，5、不平衡质量m1，6、后端去除材料部分，7、不平衡质量m2。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1至图3所示，一种改善三缸发动机平衡性的方法，该方法是通过在曲轴的前后端分别去除部分材料以产生不平衡量，且控制不平衡量的垂直分量与发动机原一阶往复惯性力矩相位相反、绝对值相等，以使三缸发动机的平衡性得以改善。该方法中在曲轴前后端挖去合适的材料(根据力矩转移率来定)，使其产生不平衡的离心力，离心力的垂直分量用于平衡部分三缸发动机的原一阶往复惯量力矩，并且，离心力会额外产生水平面内力矩，最终效果是将发动机一阶往复惯性力矩由垂直面内部分转移向水平方向。采用此种方法，通过控制力矩转移率，使发动机Z向振动减小明显，而Y向振动略有变大，最终使发动机整体振动下降，并配以合适的悬置匹配，最终达到较好的减振效果。
由于三缸发动机本身的结构形式使得其一阶往复惯性力矩未能自身平衡，最终会作用到悬置上，是三缸发动机主要的激励源之一。为了便于改善三缸发动机外部平衡，具体的设计计算步骤如下：
步骤一、首选计算出三缸发动机自身未平衡的一阶往复惯性力矩，确定平衡或转移目标。一阶不平衡力矩的计算公式如下：
∑Mj＝-mjRω2l[cosα-cos(α+120°)]，其中，mj为往复质量，R为曲拐半径，ω为曲轴角速度，l为连杆长度，α为曲轴转角。
步骤二、以步骤一计算出的一阶往复惯性力矩的绝对值作为曲轴前后端去除材料部分产生不平衡量的垂直面内力矩值，通过垂直面内力矩的计算公式∑ M＝m1r1ω2L1cosα1-m2r2ω2L2cosα2确定前后端去除材料部分的质量及质心半径之积，其中，m1r1＝m2r2，m1、m2分别为前端及后端附加质量(前端去除材料部分的质量相当于在相应去除材料部分的对向一侧附加相应的质量，即不平衡质量 m1 5，后端去除材料部分的质量相当于在相应去除材料部分的对向一侧附加相应的质量，即不平衡质量m2 7)，r1、r2分别为前端及后端附加质量的质心半径，ω为曲轴角速度，L1、L2分别为前端及后端不平衡质量质心距第二缸中心的距离，α1、α2为上止点3以顺时针向分别与前端及后端不平衡质量质心形成的夹角，且α1与α2相差180°。依据以上计算公式，确定前后端所需去除材料的相位角 (附图中α1，α2)，此相位角必须保证不平衡量的垂直分量与发动机原一阶往复惯性力矩相位相反。力矩转移率可以根据需要而定，但此相位角是不变的，否则不能保证不平衡量的相位与原一阶往复惯性力矩相差180°。
然后，根据曲轴前后端的布置空间，分别选取前后端去除材料的一个位点以确定其为质心半径，通过以此质心半径为定值，根据步骤二的计算结果确定所需挖去材料的不平衡质量(由于已计算出去除材料部分的质量及质心半径之积，除以半径即得所需去除的质量)，之后去除再去除相应的不平衡质量，其产生不平衡的离心力，离心力产生的力矩与原三缸发动机一阶往复惯性力矩共同作用，向水平方向转化，使水平及垂直方向共同承担，最终通过控制力矩转移率，使发动机Z向振动减小明显，而Y向振动略有变大，最终使发动机整体振动水平得到改善。
作为进一步的改进，在曲轴最前端及最后端设置不平衡量，两不平衡量的轴向距离最大，转移的力矩一定的情况下，可以使所需的不平衡质量较小；此外不平衡量不用布置到曲臂上，也解决了机体布置的困难。具体而言，此不平衡量通过曲轴前端皮带轮1与后端飞轮2挖去部分材料产生。通过上述计算公式，再依据布置空间，确定去除材料的具体位置及相关参数信息，主要原则包括：去除材料部分的形状优选呈扇形结构，分别为前端去除材料部分4和后端去除材料部分6，半径方向尽可能远离旋转中心(附图1和图2中r1，r2)，轴向距离也尽可能的大(附图3中L1，L2)。这样，在力矩转移率一定的情况下，依据公式计算，在不平衡块质心半径最大及前后两不平衡量轴向距离最大的情况下，所需的不平衡质量块的质量可以保证是最小的(附图中m1，m2)。
此外，上述方法还包括核查不平衡量产生的力矩是否能达到预期的力矩转移率的步骤，若未达到所需的力矩转移率，可微调步骤二中的参数。具体而言，结构方案及各参数确定之后，按照参数确定几何模型，并最终根据实际几何模型，通过理论计算核查不平衡量产生的力矩是否能达到预期的力矩转移率，如果未能达到所需的力矩转移率，可以微调几何模型的参数，直至最终方案确定。
本发明将力矩转移的平衡法既简单经济，又能提高平衡效果、降低垂直方向振动效应。相比与之前的平衡方式，此方案结构更紧凑、实现更方便、质量更轻、成本更低。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种改善三缸发动机平衡性的方法，其特征在于，所述方法是通过在曲轴的前后端分别去除部分材料以产生不平衡量，且控制不平衡量的垂直分量与发动机原一阶往复惯性力矩相位相反、绝对值相等，以使三缸发动机的平衡性得以改善；
所述方法具体包括如下步骤：
步骤一、计算出三缸发动机自身未平衡的一阶往复惯性力矩；
步骤二、以步骤一计算出的一阶往复惯性力矩的绝对值作为曲轴前后端去除材料部分产生不平衡量的垂直面内力矩值，通过垂直面内力矩的计算公式∑M＝m1r1ω2L1cosα1-m2r2ω2L2cosα2确定前后端去除材料部分的质量及质心半径之积，其中，m1r1＝m2r2，m1、m2分别为前端及后端附加质量，r1、r2分别为前端及后端附加质量的质心半径，ω为曲轴角速度，L1、L2分别为前端及后端不平衡质量质心距第二缸中心的距离，α1、α2为上止点以顺时针方向分别与前端及后端不平衡质量质心形成的夹角，且α1与α2相差180°；
步骤三、根据曲轴前后端的布置空间，分别选取前后端去除材料的一个位点以确定质心半径，通过以质心半径为定值，根据步骤二的计算结果确定所需挖去材料的不平衡质量，再通过去除不平衡质量以改善三缸发动机的平衡性；所述去除材料部分的形状呈扇形结构，且去除材料部分的半径方向远离旋转中心；所述方法还包括核查不平衡量产生的力矩是否能达到预期的力矩转移率的步骤，若未达到所需的力矩转移率，可微调步骤二中的参数。
2.根据权利要求1所述改善三缸发动机平衡性的方法，其特征在于，所述步骤一中一阶往复惯性力矩的计算公式为
∑Mj＝-mjRω2l[cosα-cos(α+120°)]，其中，mj为往复质量，R为曲拐半径，ω为曲轴角速度，l为连杆长度，α为曲轴转角。
3.根据权利要求1所述改善三缸发动机平衡性的方法，其特征在于，所述步骤二中不平衡量通过曲轴前端皮带轮与后端飞轮挖去部分材料产生。
4.根据权利要求1所述改善三缸发动机平衡性的方法，其特征在于，步骤二中的α1、α2作为相位角的值固定不变，力矩转移率是可调整的。
5.根据权利要求1所述改善三缸发动机平衡性的方法，其特征在于，所述方法通过控制力矩转移率使发动机振动水平得到改善。
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