直列四缸发动机侧倾力矩平衡技术的研究

收稿日期： 2011 － 01 － 05 修改稿收到日期： 2011 － 02 － 17 第一作者 吕一丹 女，副教授，1961 年生
言，工作时惯性力和侧倾力矩是同时存在的，设计平衡 机构时应同 时 考 虑，才 能 达 到 理 想 的 平 衡 效 果。 如 果 不考虑侧倾力矩的影响，发动机在某些工况，例如在空 载高转速时，振动则依然剧烈。
的极度疲劳 等。 所 以，能 否 解 决 由 侧 倾 力 矩 引 起 的 整
机振动问题，是四缸直列发动机试制成败的关键。
1. 1 由惯性力形成的侧倾力矩的简谐分析
发动机侧倾力矩是由气缸内气体压力和惯性力两
部分所形成，气体压力 Pg 引起的扭矩 Mg 和往复惯性 力 Pj 引起的扭矩 Mj性质有很大的差别，发动机转速和 负荷变化时，它们的变化也各不一样。所以分别对 Mg 和 Mj进行简谐分析。 1． 1． 1 单缸惯性力引起的侧倾力矩
的求取，可以按各阶次的发火间隔角加以合成，对于直
列四缸发动机，二阶、四阶仍是主阶次。
图 1 直列四缸发动机 1、2 阶谐量的相位图 Fig． 1 Phase map of the first and second harmonic
components for the inline four-cylinder engine
1 + λ4 + … sin（ 2α） － 2 32
［a2 sin（ 2α） + b2 cos（ 2α） ］
（ 5）
直列四缸发动机的合成二阶侧倾力矩为：
∑M2 = （ 2mjr2 ω2 － 4a2 ） sin（ 2α） － 4b2 cos（ 2α） （ 6）
从式（ 6） 可以看出，惯性力和气体压力产生的侧倾
因此，使发动 机 产 生 侧 向 振 动 的 振 动 力 源 是 侧 倾
力矩。而侧倾力矩是由发动机的缸内气体压力和往复
惯性力共同形成的。它会使发动机产生严重的振动现
象。使机件的磨损加剧，主要部件由于疲劳而破损，引
起附件及管系的振动以致断裂； 使设备失去工作效能
以致很快发生损坏； 噪音及剧烈的振动引起工作人员
振动与冲击
第 31 卷第 4 期
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol． 31 No． 4 2012

直列四缸发动机侧倾力矩平衡技术的研究
吕一丹1 ，杨家成2 ，张翠云2
（ 1． 山东商业职业技术学院，济南 250103； 2． 济南柴油机股份有限公司，济南 250306）
1． 3 侧倾力矩谐量的合成 求取由气缸内气体压力和惯性力共同作用产生的
侧倾力矩，需要将 1、2、3、4 ……阶的惯性力矩 Mj 和气 体压力力矩 Mg 合成求和，这时需要考虑不同气缸工作
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振动与冲击
2012 年第 31 卷
过程的相位差，见图 1，图中： k 为谐量的阶数，当谐量
的阶数为 k = 2 时，所有缸的力矩振幅矢量均位于同一
因此从理论上对侧倾力矩的性质、平衡方法、平衡 条件等进行了分析，并设计了相应的平衡机构，通过对 4190 柴油机的整机振动测试，验证了所推证的平衡方 法及平衡机 构 设 计 方 案 是 正 确 的，使 该 机 获 得 了 平 稳 的运行性能，解决了该类机型在设计时的技术难题。
1 侧倾力矩的平衡分析
发动机的缸内气体压力 Pg，向上作用在气缸盖上， 同时，气体压力又作用在活塞顶上，对发动机有一个向 下的作用力。上下方向的作用力正好相互抵消而使发 动机保持不 动，所 以 气 体 压 力 不 会 使 发 动 机 产 生 上 下 振动的作用效应。但是气体压力在活塞处产生一个侧 推力，而形成力矩，这个力矩将使发动机 产 生 侧 向 振 动，称之为“侧倾力矩”。
方向，并用代数方法合成，这种同步地作用在发动机上
的力矩非常危险，这种力矩的谐量称为主谐量，它是发
动机在运转时引起整机侧向振动的主要根源。而其它
阶次的影响 都 很 小。 所 以，以 下 重 点 对 二 阶 侧 倾 力 矩
进行分析研究。
单缸机由气体压力和惯性力共同作用所产生的侧
倾力矩的二阶谐量为：
( ) M2 = mjr2 ω2
倾力矩 Mj可以分解成很多阶次的简谐力矩：
Mj = － mj r2 ω2［A1 sinα +
A2 sin（ 2α） + A3 sin（ 3α） + …］
（ 1）
式中：
A1
=
λ 4
+ λ3 + … 16
( ) A2 = －
1 2
+
1 32
λ4
+
…
( ) A3 = －
3 4
λ
+
9 32
λ3
+
…
( ) A4 = －
1 4
λ2
+
1 8
λ4
+…
…
式中： mj为活塞连杆的往复运动质量； r 为曲柄半径； ω 为曲轴角速度； α 为曲轴转角； λ 为连杆长度与曲柄半
径之比。
1． 1． 2 四缸机惯性力的合成侧倾力矩
把每个单缸机产生的侧倾力矩按各自不同的相位
进行矢量合 成，得 出 直 列 四 缸 发 动 机 其 往 复 惯 性 力 所
（ 1． Shandong Institute of Commerce and Technology，Jinan 250103，China； 2． Jinan Diesel Engine Company Limited，Shandong Jinan 250306，China）
Abstract： Domestic studies of in-line four-cylinder engines' balance techniques usually focus on the second order reciprocating inertial force at present． The balance of overturning moment has been almost not considered for theoretical and technical difficulties． However the overturning moment is one of the main vibration excitation sources． The characteristics of the overturning moment，balance methods and balance conditions were analyzed． Also the balance mechanism was designed． Vibration experiments were conducted on a 4190 diesel engine． Results show that the overturning moment balance problem is solved by the balance mechanism．
摘 要： 目前国内的四缸柴油机的平衡技术大多数是局限于对二阶往复惯性力的平衡，而对于理论和技术方面难
度较大的侧倾力矩考虑的很少，甚至是没有考虑，但侧倾力矩是引起发动机剧烈振动的主要振动力源之一，从理论上对侧
倾力矩的性质、平衡方法、平衡条件等进行了分析，设计了相应的平衡机构，并通过对 4190 柴油机的振动试验获得了验
证，解决了该类机型侧倾力矩的平衡问题。
关键词： 发动机； 振动； 侧倾力矩平衡
中图分类号： U664． 121
文献标识码： A
Overturning moment balance technique of in-line four-cylinder engine L Yi-dan1 ，YANG Jia-cheng2 ，ZHANG Cui-yun2
Key words： internal combustion engine； vibration； balance of overturning moment
过去相当长时期内，在中、小型，高速四缸发动机 的开发设计中，一般不采取平衡措施。只有一些要求 振动小、可靠、耐久的柴油机，在原始设计中采用了平 衡机构。近年来，情况发生了变化，大多数知名公司新 推出的四缸中、小型，高速柴油机都采取了平衡措施， 而且有创新和发展［1 － 4］。但目前国内的四缸柴油机的 平衡技 术 大 多 数 是 局 限 于 对 二 阶 往 复 惯 性 力 的 平 衡［5］，如东风汽车股份有限公司的 EQB140 － 11 柴油 机，采用双轴平衡机构平衡二阶往复惯性力［6］，减少了 整机垂直方 向 的 振 动，国 内 也 有 部 分 引 进 机 型 如 夏 利 三缸发动机 及 广 州 本 田 雅 阁 四 缸 发 动 机，采 用 平 衡 轴 降 低 振 动 及 噪 声，中 国 一 拖 集 团 有 限 公 司 生 产 的 LR4105 柴油机、YTA4135 柴油机，上海柴油机股份有 限公司生产的 D4114 增压中冷柴油机也都采用了平衡 机构［7 － 9］，以达到降低柴油机整机振动和噪声的目的。 但是对于理论和技术方面难度较大的侧倾力矩考虑的 很少，甚至 是 没 有 考 虑［5 － 9］，对 于 直 列 四 缸 发 动 机 而
由往复惯性 力 形 成 的 侧 倾 力 矩 是 周 期 性 函 数，变
化规律很复杂。根据 Fourier 级数理论，每一个周期函
数均可以由 不 同 初 相 位、不 同 振 幅 和 不 同 周 期 的 简 谐
量组成的无 穷 级 数 来 表 达。 而 在 规 定 的 精 度 下，可 以
用一定项数 的 和 来 逼 近，因 此 往 复 惯 性 力 所 产 生 的 侧
B1
B2
B3
B4
B5