随着环保法规日益严苛,发动机不断朝着轻量化、低能耗、低排放、低噪声以及高可靠性的方向发展。由于发动机工作过程的周期性和机件运动的周期性,曲柄连杆机构运转中所产生的旋转惯性力、往复惯性力以及输出扭矩呈现周期性的变化,因此发动机具有良好的平衡性,对降低整机振动与噪声极其重要。由于机体与曲轴并非刚性体,曲柄连杆机构的往复惯性力以及旋转惯性力产生的曲轴内弯矩会使曲轴在工作过程中产生一个周期性的弯曲变形,既增加了曲轴轴承的载荷,又会引起发动机的剧烈振动,不同平衡方案的曲轴对整机振动影响差异较大。因此,研究不同平衡率方案曲轴对曲轴系统动力学性能与振动的影响,优化设计曲轴,对降低整机振动,提高内燃机可靠性与耐久性具有重要意义[1-2]。以某非道路高压共轨四缸柴油机为研究对象,系统分析了不同平衡率与不同平衡重结构的四个曲轴方案的平衡性;通过机体与曲轴模态试验与模态仿真,验证了曲轴与机体有限元模型的准确性;基于柔性多体动力学与弹性流体动力润滑理论,建立了轴系多体动力学仿真模型,研究了曲轴不同平衡率对额定转速工况下主轴承载荷、主轴承润滑、曲轴强度及整机振动的影响,并进行了整机表面振动响应测试。主要研究内容与结果如下:(1)不同平衡率曲轴平衡性分析基于力矩平衡率计算原理,对不同平衡率的四块平衡重与八块平衡重的曲轴进行了内平衡分析,结果表明:不同平衡重数与不同平衡率曲轴均能实现曲轴静平衡和动平衡,其中100%平衡率的八平衡重曲轴内弯矩最小,重量最重,50%平衡率的四平衡重曲轴内弯矩值最大,重量最轻。(2)机体与曲轴模态参数分析通过机体、曲轴模态试验分析不同阶次下的固有频率和模态振型,将计算模态与试验模态对比,结果表明:机体和曲轴计算模态与试验模态误差在5%以内,验证了机体和曲轴有限元模型的准确性。对不同方案曲轴进行计算模态对比,结果表明随着平衡率增加,曲轴质量增加,一阶固有频率下降。(3)不同平衡率曲轴主轴承载荷与主轴承润滑特性分析在额定转速工况下,随着平衡率增加,在第一、第三、第五主轴承受力峰值增大,各主轴承平均负荷变小,冲击系数增大,不同曲轴方案下第一主轴承冲击系数分别为6.66、6.82、9.15、9.15;随着平衡率增加,各主轴承最大轴承弯矩增大,第一、第三、第五主轴承平均弯矩减小。在额定转速工况下,不同平衡率曲轴各主轴承均处于流体动力润滑状态;随着平衡率增加,第一、第三、第四、第五主轴承膜厚比增大,最大油膜压力与粗糙粗糙接触压力增大;50%平衡率曲轴在第五主轴承出现了较高的接触压力峰值;随着平衡率增加,第一、第五主轴承轴心轨迹偏心率减小。(4)不同平衡率曲轴疲劳强度分析在额定转速工况下,随着平衡率增加,曲轴各圆角处最大应力值增大,最大应力值为284.1MPa,出现在四平衡重100%平衡率曲轴曲柄销圆角处;相同平衡率下,八平衡重曲轴圆角最大应力值减小;随着平衡率增加,曲轴圆角疲劳安全系数降低,不同曲轴方案下第八曲柄臂曲柄销圆角最小安全系数分别为1.93、2.01、1.7、1.77;相同平衡率下,八平衡重方案安全系数增大,最小安全系数为1.7,出现在四平衡重100%平衡率曲柄销圆角处。(5)不同平衡率曲轴下整机振动分析在额定转速工况,发动机各关注点振动情况显示,随着平衡率增加,机体裙部及油底壳关注点的不同谐次下振动加速度峰值减小,机体上各关注点的振动速度级降低,气缸盖罩和油底壳在低频段下振动速度级降低。倍频程中心频率为500Hz、1000Hz、2000Hz下发动机表面振动速度级结果表明,随着平衡率增加,机体振动速度级降低,倍频程中心频率为500Hz气缸盖罩和油底壳振动速度级增大,倍频程中心频率为1000Hz、2000Hz气缸盖罩和油底壳振动速度级降低;相同平衡率下,倍频程中心频率为2000Hz八平衡重方案整机振动速度级降低。