直列四缸柴油机减振分析及平衡机构优化设计

论文摘要

发动机的振动和噪声水平已成为发动机综合性能的重要考评指标之一。良好的振动品质是提高发动机市场竞争力的主要途径，也是降低车辆振动的重要途径。从内部抑制导致发动机振动的主要激振力源是发动机主要减振技术之一。而给发动机装配平衡机构是解决其振动的主要措施之一，已在发动机减振方面得到广泛的应用。往复式内燃机由于工作过程的周期性和机件运动的周期性，运转中所产生的不平衡力以及不平衡力矩是其振动的主要激振力源。柴油机具有高效率和低油耗的特点，而四缸柴油机在多缸内燃机中由于外形尺寸相对较小，在一些对长度要求苛刻，而对其高度和宽度的要求相应宽松，但动力性能、扭矩要求较高的应用场合，具有明显的匹配优势。但是相对于六缸发动机，四缸柴油机的结构特点决定了它不能靠本身的平衡来消除二阶往复惯性力的影响。因此有必要设计出一款平衡机构来抑制或抵消其激振力源引起的振动，令发动机实现内部机件运动时的动态平衡。本文所研究的某直列四缸柴油机，是某柴油机公司根据市场的需要，在其从国外引进的六缸柴油机的基础上，针对中型载货汽车和中型客车，设计开发出的系列化机型。针对某直列四缸柴油机，通过多刚体动力学软件ADAMS，进行柴油机的减振分析及平衡机构优化设计，研究工作主要包括以下内容：1）在发动机运动学和动力学基础上，对直列单缸内燃机的主要激振力源进行分析，进而得到直列四缸机的不平衡的二阶往复惯性力、倾覆力矩等主要内部激振力源；分析多工况下倾覆力矩的变化规律，为多工况下的平衡机构布置形式的分析及优化奠定了基础。2）利用ADAMS软件建立直列四缸机的多刚体动力学实体模型，通过动力仿真得到激振力源的主要参数和特性曲线：机体垂直方向振动曲线以及振动加速度曲线，倾覆力矩曲线以及绕曲轴方向的角加速度曲线。3）四缸发动机在单工况下运行时，对双轴平衡机构布置形式进行理论分析；根据四缸发动机运行在不同路况环境的常用多工况下时的特点，对双轴平衡机构的布置形式进行优化。4）建立安装双平衡轴机构的四缸机多刚体动力学仿真实体模型，以柴油机的机体垂直方向振动加速度和绕曲轴方向角加速度最小作为优化目标，并以平衡机构的结构参数作为设计变量，进行平衡机构试验优化设计，根据优化结果计算得到平衡机构的具体结构尺寸。基于平衡机构的消耗功率以及润滑油流量，用Holland法求出平衡机构轴承的轴心轨迹，以及最小油膜轨迹，为平衡机构整体的设计奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 国内外四缸柴油机平衡现状
• 1.2.1 国内四缸柴油机平衡现状
• 1.2.2 国外四缸柴油机平衡现状
• 1.3 平衡机构的发展趋势
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第二章 柴油机激振力源分析
• 2.1 中心曲柄连杆机构的运动学分析
• 2.2 中心曲柄连杆机构动力学分析
• 2.2.1 中心曲柄连杆机构运动件质量换算
• 2.2.2 中心曲柄连杆机构的作用力
• 2.2.3 中心曲柄连杆机构的作用力矩
• 2.3 四缸机的惯性力分析
• 2.4 四缸机的力矩分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 四缸机多刚体动力学仿真
• 3.1 多刚体系统动力学分析基础
• 3.1.1 多刚体系统动力学建模基础
• 3.1.2 多刚体系统运动学和动力学分析
• 3.2 四缸柴油机曲柄连杆机构多刚体动力学仿真
• 3.2.1 柴油机曲柄连杆机构实体模型的建立
• 3.2.2 仿真结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 四缸机的平衡机构布置形式
• 4.1 四缸机激振力源平衡分析
• 4.1.1 四缸机往复惯性力和惯性扭矩的平衡
• 4.1.2 四缸机气体力扭矩的平衡
• 4.2 多工况下平衡机构布置形式的优化
• 4.3 根据车辆运行模式选择平衡机构的布置形式
• 4.3.1 城区路况环境下平衡机构布置形式
• 4.3.2 快速路况环境下平衡机构布置形式
• 4.3.3 各工况重视程度相同时平衡机构布置形式
• 4.3.4 三种模式下平衡机构布置形式比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 四缸柴油机平衡机构优化设计
• 5.1 平衡机构总体方案的设计
• 5.1.1 通轴平衡块设计
• 5.1.2 多段配置平衡块设计
• 5.1.3 两种平衡方案比较
• 5.2 平衡机构优化
• 5.2.1 平衡机构优化设计变量的选择
• 5.2.2 平衡机构优化设计目标的确定
• 5.2.3 平衡机构优化设计约束的选择
• 5.3 试验的实现
• 5.3.1 实验设计
• 5.3.2 优化过程及结果
• 5.4 平衡轴结构设计
• 5.5 平衡机构消耗功率
• 5.6 润滑油流量计算
• 5.7 滑动轴承轴心轨迹计算
• 5.7.1 滑动轴承基本参数的确定
• 5.7.2 Holland法求轴承轴心轨迹
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作和成果
• 6.2 主要特色
• 6.3 前景展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢