平衡軸的案例
混動(dòng)車型平衡軸齒輪敲擊噪聲優(yōu)化
本文中深入闡述了平衡軸齒輪敲擊產(chǎn)生和傳播機(jī)理，通過(guò)開(kāi)發(fā)雙級(jí)TVD降低齒輪外部激勵(lì)和開(kāi)發(fā)雙消隙平衡軸減小嚙合過(guò)程中輪齒雙側(cè)受力沖擊的兩種方法，達(dá)到優(yōu)化齒輪敲擊噪聲的目的，對(duì)平衡軸齒輪設(shè)計(jì)和敲擊問(wèn)題優(yōu)化具有重要的工程意義。
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混動(dòng)車型平衡軸齒輪敲擊問(wèn)題介紹
某款2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)為橫/縱置混動(dòng)SUV車型共平臺(tái)生產(chǎn)，其搭載7DCT自動(dòng)擋橫置變速器后NVH性能市場(chǎng)表現(xiàn)良好，而搭載縱置9HAT自動(dòng)擋變速器時(shí)，車內(nèi)外在中高轉(zhuǎn)速全油門及半油門工況下可明顯感知存在類似嘩啦音的金屬敲擊聲，特別是在2500-5200r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間，表現(xiàn)出頻率成分為3000-5000Hz的寬頻段激發(fā)特性。同步測(cè)試整車各零部件振動(dòng)發(fā)現(xiàn)，油底殼本體振動(dòng)與油底殼近場(chǎng)噪聲對(duì)應(yīng)性明顯，橫/縱置油底殼近場(chǎng)噪聲和油底殼排氣側(cè)振動(dòng)對(duì)比如圖1所示。
圖1 整車油底殼近場(chǎng)噪聲和振動(dòng)對(duì)比
油底殼在2500-5200r/min范圍存在寬頻振動(dòng)，而其周圍布置旋轉(zhuǎn)零部件主要激勵(lì)源為曲軸或者平衡軸齒輪，在去除平衡軸總成進(jìn)行整車測(cè)試后，敲擊振動(dòng)噪聲消失，由此判斷該敲擊噪聲來(lái)自平衡軸齒輪。
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橫/縱置平衡軸系統(tǒng)差異性分析
橫置發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能市場(chǎng)表現(xiàn)良好，而縱置發(fā)動(dòng)機(jī)NVH表現(xiàn)出敲齒振動(dòng)噪聲，須分析其結(jié)構(gòu)主要變化點(diǎn)，進(jìn)而分析導(dǎo)致齒輪敲擊變化的影響因素，平衡軸驅(qū)動(dòng)形式如圖2所示。平衡軸驅(qū)動(dòng)齒圈位于曲軸第6平衡塊，平衡軸總成為底置形式，包含兩級(jí)齒輪，其中1級(jí)齒輪為消隙齒輪，結(jié)構(gòu)如圖3所示。消隙齒輪工作原理是：扭轉(zhuǎn)彈簧為獨(dú)立件，通過(guò)中間彈簧產(chǎn)生彈力，使主副齒產(chǎn)生錯(cuò)齒，消除嚙合側(cè)隙，避免由于齒輪側(cè)隙產(chǎn)生的敲齒風(fēng)險(xiǎn)。
展開(kāi) 什么是平衡軸呢？
平衡軸技術(shù)（下圖中白色線框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)）是一項(xiàng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且非常實(shí)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，它可以有效減緩整車振動(dòng)，提高駕駛的舒適性。
發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)原理
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處在工作狀態(tài)時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度非常快，而且速度很不均勻。當(dāng)活塞位于上下止點(diǎn)位置時(shí)，其速度為零，但在上下止點(diǎn)中間位置的速度則達(dá)到最高。由于活塞在氣缸內(nèi)做反復(fù)的高速直線運(yùn)動(dòng)，因此必然會(huì)在活塞、活塞銷和連桿上產(chǎn)生較大的慣性力。雖然連桿上的配重可以有效地平衡這些慣性力，但卻只有一部分運(yùn)動(dòng)質(zhì)量參與直線運(yùn)動(dòng)，另一部分參與了旋轉(zhuǎn)。因而除了上下止點(diǎn)位置外，其它慣性力并不能完全達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)便產(chǎn)生了振動(dòng)。
為了消除這種振動(dòng)，設(shè)計(jì)者采用了很多方法，例如采用輕質(zhì)的活塞減少運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量、提高曲軸的剛度、采用60度夾角的“V”型布置發(fā)動(dòng)機(jī)等等。增加平衡軸（如上圖中間位置所示部件）也是這些辦法其中之一，簡(jiǎn)單說(shuō)平衡軸其實(shí)就是一個(gè)裝有偏心重塊并隨曲軸同步旋轉(zhuǎn)的軸，利用偏心重塊所產(chǎn)生的反向振動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得良好的平衡效果，降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。
平衡軸分類
平衡軸可分為單平衡軸和雙平衡軸兩種。單平衡軸顧名思義采用單一平衡軸，利用齒輪傳動(dòng)方式進(jìn)行工作，通過(guò)曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)固連的平衡軸驅(qū)動(dòng)齒輪、平衡軸從動(dòng)齒輪以及平衡軸。單平衡軸可以平衡占整個(gè)振動(dòng)比例相當(dāng)大的一階振動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)得到明顯改善。由于單平衡軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，因而在單缸和小排量發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較為廣泛。
而雙平衡軸則采用的是鏈傳動(dòng)方式帶動(dòng)兩根平衡軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其中一根平衡軸與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)的一階振動(dòng)；另一根平衡軸的轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的2倍，可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)，從而達(dá)到更加理想的減振效果。由于雙平衡軸的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、成本高、占用發(fā)動(dòng)機(jī)的空間又相對(duì)較大大，因此一般在大排量汽車上較為常用。
展開(kāi) 基于solidThinking Inspire的重型車平衡軸支座的優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖 9 平衡軸支座有限元計(jì)算模型
根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的平衡軸支座結(jié)構(gòu)，利用大型有限元軟件 HyperWorks 平臺(tái)的 RADIOSS 求解器對(duì)平衡軸支座 進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，平衡軸支座新結(jié)構(gòu)最大 von Mises 應(yīng)力值計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。
表 2 平衡軸支座各工況下最大應(yīng)力及安全系數(shù)
計(jì)算結(jié)果表明，經(jīng)過(guò) solidThinking Inspire 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的平衡軸支座，各工況下強(qiáng)度都滿足設(shè)計(jì)要求，最小 安全系數(shù)為 1.15。該平衡軸支座在車輛可靠性試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題，證明其設(shè)計(jì)滿足性能需求。通過(guò)對(duì)平衡軸支座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，證明了基于 solidThinking Inspire 的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法可以有效提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度，合理布局零件的材料，達(dá)到了降低制造成本的目的。將最終的創(chuàng)意設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在實(shí)際工程中，與車輛的板簧及車架連接，如圖 11 所示。
展開(kāi) 如何解決三缸發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題?
接下來(lái)就是說(shuō)說(shuō)平衡軸的時(shí)間了：
平衡軸的反向轉(zhuǎn)動(dòng)（這里指的是相對(duì)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向而言），能緩解發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，大多數(shù)三缸機(jī)都會(huì)采用平衡軸設(shè)計(jì)，通常都采用加裝一根平衡軸來(lái)平衡一階力矩。
從理論上來(lái)說(shuō)，三缸機(jī)的不平衡力矩完全可以用四軸平衡掉，即除了在曲柄上加平衡重外，另加設(shè)兩根平衡軸，組成一組雙軸平衡裝置，平衡一階慣性力矩；如果再要平衡二階往復(fù)慣性力矩，則還要一組雙軸平衡裝置，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)等方面的限制，大多采用半平衡法，僅平衡掉部分力矩以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。
如圖平衡軸：
【感謝汽車之家的圖】
當(dāng)然，為了達(dá)到平衡性，工程師們也是很拼的，不僅僅是平衡軸上下文章，還有在皮帶輪，齒輪上下了很多功夫。
比如：這位PSA的1.2THP，就運(yùn)用了大質(zhì)量慣性曲軸皮帶輪，去耦式平衡軸齒輪，在平衡軸從動(dòng)齒輪上增加去耦橡膠圈等等。
【感謝汽車之家的圖】
當(dāng)然還有任性不加平衡軸的：
如果不加平衡軸，采用過(guò)量平衡法可以達(dá)到提高平衡效果的目的。過(guò)量平衡法既簡(jiǎn)單，又能提高平衡效果，降低垂直方向振動(dòng)效應(yīng)。
過(guò)量平衡法是指在平衡重上加上額外的重量，或者在皮帶盤或者飛輪上加一定量的平衡重量。
這種平衡法就需要在飛輪，皮帶輪上下文章了
用這種方法的有福特的Ecoboost系列。EcoBoost 1.0T去掉了平衡軸，而在飛輪與皮帶輪上采用“不平衡”設(shè)計(jì)，飛輪設(shè)計(jì)成偏心式的，重點(diǎn)是偏心式飛輪。
轉(zhuǎn)自：知乎，何先生
展開(kāi) 
福特現(xiàn)身說(shuō)法，三缸機(jī)防抖其實(shí)是黑科技
這種“缺陷”也使得發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候，雖然一階二階慣性力可以平衡，但還是產(chǎn)生了不平衡的一階二階慣性力矩，其中一階慣性力矩不平衡的最大值在活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)后的30°出現(xiàn)。
在這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下造成發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)的“元兇”，一階二階慣性力矩的概念：活塞在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生力矩，這就是一階慣性力矩；活塞的運(yùn)動(dòng)也會(huì)帶動(dòng)相連的連桿運(yùn)動(dòng)，形成了更加復(fù)雜的二階慣性力矩。
福特為了改善三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)情況，在曲軸上動(dòng)起了腦筋。曲軸的曲柄之間采用角度為120°的設(shè)計(jì)，形成空間曲軸結(jié)構(gòu)。
同時(shí)在1、3曲柄上的配重塊重心偏移30°，可以極大程度抵消不平衡的力矩，就像是安裝了一根平衡軸一樣。
但是僅僅在曲軸上動(dòng)“手腳”還不夠，其他地方也同樣要?jiǎng)右幌隆?治抖神器平衡軸
其實(shí)，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是幾缸，都會(huì)有抖動(dòng)的情況，只是程度不同。有些四缸發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)為了更加平順的運(yùn)轉(zhuǎn)，也會(huì)加裝平衡軸。
福特1.0T三缸發(fā)動(dòng)機(jī)雖然有加平衡軸，但并非是標(biāo)配的，只有在自動(dòng)擋車型的發(fā)動(dòng)機(jī)上才會(huì)有一根真正的平衡軸，與經(jīng)過(guò)改造配重塊的曲軸形成“雙平衡軸”結(jié)構(gòu)。而連接曲軸、平衡軸及機(jī)油泵的皮帶，也采用油浸式設(shè)計(jì)，一定程度能夠改善異響現(xiàn)象。
那么，是否多加平衡軸就可以完全消除抖動(dòng)呢？平衡軸數(shù)量的增多，也會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，重量和體積也會(huì)提升，這就違背了車企使用三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的初心了。
帶有“減振器”的雙質(zhì)量飛輪
剛才既然說(shuō)了，在自動(dòng)擋車型的發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用了平衡軸。而在沒(méi)有液力變矩器的“干擾”的發(fā)動(dòng)機(jī)上，就應(yīng)用了雙質(zhì)量飛輪技術(shù)。雙質(zhì)量飛輪具有非常好的減振功能，可以代替平衡軸的作用，極大程度限制發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)。
雙質(zhì)量飛輪具體的減抖方式，就是將自身一分為二，一部分為主動(dòng)飛輪依舊與曲軸連接，另一部分為與變速器相連的從動(dòng)飛輪，可以提高變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。兩部分之間是環(huán)形的油腔，內(nèi)部加裝的彈簧減振器并將兩部分連接。
展開(kāi) 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)平衡問(wèn)題、技術(shù)措施及解決案例
正時(shí)端配重塊通過(guò)螺栓固定在平衡軸上，同時(shí)施加對(duì)彈性齒輪的軸向壓力，在卡圈的共同作用下，固定彈性齒輪位置，限制其繞軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；飛輪端配重塊通過(guò)螺栓固定在平衡軸另一端，與正時(shí)端配重塊保持一定的相位角。驅(qū)動(dòng)齒 輪與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連接，彈性齒輪與平衡軸連接，曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)， 通過(guò)齒輪嚙合，驅(qū)動(dòng)齒輪將運(yùn)動(dòng)和力傳遞給彈性齒輪，從而帶動(dòng)平衡軸和與之 配合的配重塊和軸承轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)配重塊與平衡軸以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于不平衡 量的作用而產(chǎn)生平衡力矩，補(bǔ)償曲軸工作時(shí)產(chǎn)生的偏移力矩，達(dá)到平衡一階往復(fù)慣性力矩的作用。
圖4.4平順1.2T發(fā)動(dòng)機(jī)平衡軸圖
圖4.5曲軸-平衡軸詳細(xì)圖
如何消除抖動(dòng)問(wèn)題呢？與很多廠家一樣，寶馬通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)中加裝一根平衡軸來(lái)最大化地抵消發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)問(wèn)題。在曲軸側(cè)面增加一個(gè)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡軸來(lái)消除它的力矩，而非像4缸發(fā)動(dòng)機(jī)需要兩根平衡軸去消除二倍曲軸速度的振動(dòng)力，并且曲軸、減震皮帶輪以及發(fā)動(dòng)機(jī)艙都有不同程度的減震處理。（寶馬2系旅行車、寶馬i8）。
4.4過(guò)量平衡法
圖4.6 EcoBoost發(fā)動(dòng)機(jī)
過(guò)量平衡法既簡(jiǎn)單，又能提高平衡效果，降低垂直方向振動(dòng)效應(yīng)。過(guò)量平衡法是指在平衡重上加上額外的重量，或者在皮帶盤或者飛輪上加一定量的平衡重量。這種平衡法就需要在飛輪，皮帶輪上下做文章。用這種方法的有福特的Ecoboost系列。EcoBoost 1.0T去掉了平衡軸，而在飛輪與皮帶輪上采用“不平衡”設(shè)計(jì)，飛輪設(shè)計(jì)成偏心式的，重點(diǎn)是偏心式飛輪。
展開(kāi) 干貨│汽車發(fā)動(dòng)機(jī)減振技術(shù)分析
3.發(fā)動(dòng)機(jī)平衡技術(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的根源是由于活塞上下運(yùn)動(dòng)的慣性力和曲軸組件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力和力矩產(chǎn)生。因此可以使用曲軸平衡技術(shù)或者增加平衡軸來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)減振能力。
圖3 單平衡軸示意圖
曲軸高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生離心慣性力, 這個(gè)不平衡力可以通過(guò)在曲柄銷對(duì)面加置平衡重來(lái)進(jìn)行平衡。這個(gè)可以通過(guò)計(jì)算精確確定出平衡重的質(zhì)量。
平衡軸平衡技術(shù)是一項(xiàng)非常實(shí)用的減振技術(shù), 目前有單軸平衡技術(shù)和雙軸平衡技術(shù)。單平衡軸顧名思義就是采用一個(gè)平衡軸進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡。圖3所示單平衡軸轉(zhuǎn)速和曲軸一樣, 可以平衡掉一階不平衡分量, 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 平衡效果較好。雙平衡軸兩個(gè)軸通過(guò)鏈條或者皮帶連接, 其中一個(gè)平衡軸轉(zhuǎn)速和曲軸一樣, 這樣可以平衡一階振動(dòng)。另一軸可以平衡到二階振動(dòng), 從而可以達(dá)到更為理想的效果。
三、總結(jié)
發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)是引起整車振動(dòng)最為主要的振源, 降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)幅度是整車減振關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過(guò)分析得到以下兩個(gè)結(jié)論:
(1)本文分析了發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的根源, 并且通過(guò)實(shí)例, 利用MATLAB計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的活塞加速度曲線, 活塞運(yùn)動(dòng)加速度幅值隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增加而增加。
(2)針對(duì)目前發(fā)動(dòng)機(jī)減振技術(shù), 重點(diǎn)分析了發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)技術(shù), 雙質(zhì)量飛輪技術(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)平衡技術(shù)三種方法, 指出了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn), 為工程技術(shù)人員提供了參考。
展開(kāi) ADAMS平衡懸架載荷分析
商用車平衡懸架主要結(jié)構(gòu)有：推力桿，中后橋，板簧，平衡軸。推力桿主要是限制橋的位移，直推一般限制橋的縱向位移，而V推可以限制縱向和橫向的位移。平衡軸的主要作用就是保證中、后橋行駛在不平路面時(shí)，輪胎能時(shí)刻接地。因?yàn)?em>平衡懸架的平衡桿多為等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，因此中、后橋的垂向載荷能時(shí)刻相等。
Adams中提供了_MDI_TASA_TESTRIGS懸架試驗(yàn)臺(tái)，可以幫助我們搭建平衡懸架裝配模型，如下圖所示。
平衡懸架靜載荷計(jì)算與仿真分析：
垂向工況下，垂向力主要作用于板簧和車橋連接處a，且中、后橋垂向載荷基本一致。
縱向工況下，縱向力主要作用于推力桿，根據(jù)力矩平衡，可以計(jì)算得到推力桿與車橋連接處b載荷。理論計(jì)算與仿真值相當(dāng)。
通過(guò)理論計(jì)算與仿真間接驗(yàn)證了模型的可信度。
注意點(diǎn)：在搭建模型時(shí)，硬點(diǎn)的位置尤為重要。例如垂向工況下，如果中后橋的載荷相差較大，可以是由于平衡軸的中心到中后橋的距離不相等導(dǎo)致；上下推力桿到輪心的位置要與實(shí)際一致，否則縱向工況下，計(jì)算與仿真得到的載荷誤差較大大。
來(lái)源：有限元探索
展開(kāi) 關(guān)于泵的軸向力，你了解多少？
采用平衡鼓結(jié)構(gòu)平衡軸向力，平衡鼓結(jié)構(gòu)動(dòng)靜部間的間隙為制造時(shí)制定，無(wú)法自動(dòng)調(diào)整平衡力大小，因而，需要在外部安裝止推軸承以平衡多余的平衡力，其優(yōu)點(diǎn)在于，動(dòng)靜部無(wú)接觸，無(wú)磨損，因而使用壽命較長(zhǎng)。
單獨(dú)采用平衡盤進(jìn)行水泵軸向力平衡時(shí)，由于其軸向間隙極小，當(dāng)泵體內(nèi)液體流量發(fā)生變化，或水泵工作狀態(tài)發(fā)生瞬時(shí)變化時(shí)，極易造成平衡盤與平衡環(huán)貼合或卡緊，二者產(chǎn)生研磨、損壞，從而大大降低平衡盤壽命，影響水泵正常運(yùn)作。
因而，為提高水泵軸向力平衡機(jī)構(gòu)性能，可采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向力平衡，但單獨(dú)采用平衡鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向力平衡時(shí)，泵體會(huì)產(chǎn)生較大泄露，極大地降低了水泵的輸送效率。
因此，為了提高平衡裝置總體性能，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，可采用平衡盤與平衡鼓聯(lián)合結(jié)構(gòu)平衡水泵轉(zhuǎn)子軸向力。
結(jié)構(gòu)如圖3所示。
采用這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：
(1)單獨(dú)采用平衡鼓平衡軸向力時(shí)，需在外部加裝止推軸承，采用該聯(lián)合結(jié)構(gòu)時(shí),由于平衡盤的存在，可省略安裝止推軸承。
(2)平衡鼓平衡軸向力的同時(shí)也可平衡掉一部分平衡盤產(chǎn)生的平衡力，減小平衡盤前后壓力差，使平衡盤與支撐環(huán)更易分離，不易造成磨損，使整個(gè)平衡裝置性能可靠。
(3)要求泵進(jìn)行空轉(zhuǎn)時(shí)，需在泵上安裝止推軸承，聯(lián)合機(jī)構(gòu)的存在可以大大降低止推軸承的負(fù)荷。
本文給水泵應(yīng)用于核電站輔助給水，電動(dòng)機(jī)輔助給水泵規(guī)格書(shū)規(guī)定，不允許單獨(dú)采用平衡盤作為軸向力平衡裝置，因而 測(cè)試對(duì)象擬定采用單平衡鼓或平衡盤與平衡鼓聯(lián)合機(jī)構(gòu)作為泵軸向力平衡裝置。
三、流量與軸向力關(guān)系計(jì)算
水泵轉(zhuǎn)子軸向力大小與流體流量關(guān)系的計(jì)算情況復(fù)雜，形式多樣，采用不同形式的平衡結(jié)構(gòu)，其平衡力計(jì)算方法也相應(yīng)不同。
展開(kāi) 潘多拉盒子被打開(kāi)，一個(gè)“抖”字毀了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)
例如別克去掉一缸，加了一個(gè)平衡軸，但是令機(jī)器更不靠譜了，因?yàn)橛侄嗔艘粋€(gè)部件。
此外，選用偶數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)主要因?yàn)檐囉冒l(fā)動(dòng)機(jī)基本只有直列，V型布置。尤其是V型，基本沒(méi)法做成奇數(shù)。之前大眾曾搞過(guò)一個(gè)V5發(fā)動(dòng)機(jī)，就是把V6中的一個(gè)氣缸用滑塊替代，保持平衡，但是不提供輸出功率。
最后還是斃掉了。如何平衡、配氣、點(diǎn)火什么的，都是相當(dāng)麻煩的事情，成本自然上升，而且不耐用，此外曲軸也是個(gè)麻煩事兒。
而曲軸、活塞,、活塞桿、缸體等都不是剛體, 它們會(huì)變形、會(huì)振動(dòng)、會(huì)熱漲冷縮，三缸機(jī)無(wú)法妥處。
另外，凡是三缸機(jī)做功順序必然是1缸、3缸、2缸。震動(dòng)的原因，是2缸做功后，沒(méi)有其它功抵消它的力，易造成震動(dòng)、抖動(dòng)等。
采用平衡軸方式，意在抵消力。但是低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速、猛加速、減速時(shí)，平衡軸還是起“平衡”作用嗎？
再說(shuō)了，發(fā)動(dòng)機(jī)多了這么一套齒輪嚙合，噪音大不大呢？壞了怎么辦呢？平衡軸彎曲了怎么辦呢？等等。所以，買3缸要慎重。
看搭載3缸機(jī)的別克銷量就能明白，3缸如今已是“潘多拉盒子”，正侵蝕汽車行業(yè)。
展開(kāi) 發(fā)動(dòng)機(jī)不平衡-三缸機(jī)VS四缸機(jī)
下面我們就對(duì)傳統(tǒng)的直列四缸機(jī)和直列三缸機(jī)的不平衡做一下對(duì)比分析。
首先我們來(lái)看四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序1-3-4-2，平均點(diǎn)火間隔為180度。通過(guò)上一節(jié)的公式，我們可以得知一階往復(fù)慣性力完全抵消，合力為零。而二階往復(fù)慣性力則得到了增強(qiáng)。具體見(jiàn)下圖。
對(duì)于三缸機(jī)來(lái)說(shuō)，點(diǎn)火順序?yàn)?-3-2，平均點(diǎn)火間隔為240度。同樣通過(guò)公式計(jì)算，我們可得知三缸機(jī)的一階往復(fù)慣性力合力為零，同樣二階往復(fù)慣性力合力同樣為零，是不是有點(diǎn)吃驚呢？那這樣是不是就意味著三缸機(jī)的平衡性要比四缸機(jī)要好呢？并非如此。
上面三缸機(jī)的圖從主觀感覺(jué)還是有點(diǎn)“不平衡”，其實(shí)是存在慣性力矩。我們看四缸機(jī)的一階慣性力，缸1和缸4慣性力方向相同，缸2和缸3慣性力方向相同。但三缸機(jī)就不同了，缸1和缸3慣性力方向相反，這會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題？轉(zhuǎn)動(dòng)！用圖或公式不好演示，直接上視頻。
三缸機(jī)的一階，二階慣性力合力是零，但會(huì)產(chǎn)生Pitch轉(zhuǎn)動(dòng)(如果我們?cè)倏紤]轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，還會(huì)有Yaw)，這是三缸機(jī)天然帶來(lái)的不平衡。
針對(duì)這些不平衡一般有什么措施呢？平衡軸是一個(gè)選項(xiàng)。既然四缸發(fā)動(dòng)機(jī)存在二階慣性力，那么我們就增加轉(zhuǎn)速兩倍于曲軸的平衡軸。而三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡軸在上面視頻最后有展示，主要來(lái)抑制往復(fù)不平衡帶來(lái)的Pitch轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然平衡軸會(huì)帶來(lái)額外能量的損耗，所以也有廠家通過(guò)飛輪及皮帶輪的設(shè)計(jì)來(lái)抑制不平衡。
小結(jié)
總結(jié)一下，本文關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡著重分析了以下幾點(diǎn)：
發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)構(gòu)是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，我們將其帶來(lái)的不平衡分為往復(fù)不平衡和旋轉(zhuǎn)不平衡。
展開(kāi) 
基于無(wú)網(wǎng)格仿真技術(shù)的特種車體結(jié)構(gòu)分析
2.3 車體結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析計(jì)算對(duì)比
車體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析工況下，約束車體兩側(cè)第5平衡軸支座6個(gè)方向的自由度，在車體兩側(cè)第一平衡軸支座處添加方向垂直向上，大小為10 000 N的力。
靜態(tài)分析工況下，兩種方法計(jì)算得到的車體應(yīng)力分布情況如圖6所示，可以看出靜態(tài)分析下，兩種分析方法車體的應(yīng)力分布情況具有很好的一致性，有限元方法中靜態(tài)分析的最大應(yīng)力為99.7 MPa，無(wú)網(wǎng)格方法中靜態(tài)分析的最大應(yīng)力為97.2 MPa，以有限元中仿真分析結(jié)果為參考，車體靜態(tài)分析最大應(yīng)力值的相對(duì)誤差為2.5%，最大絕對(duì)誤差為2.5 MPa。
表2 車體前6階模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比
圖6 車體靜態(tài)分析對(duì)比
2.4 車體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析計(jì)算對(duì)比
車體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析工況下，約束車體兩側(cè)第5平衡軸支座6個(gè)方向的自由度，在車體左側(cè)第1平衡軸支座處添加垂直向上的8g沖擊加速度，在車體右側(cè)第1平衡軸支座處添加垂直向下的8g沖擊加速度。圖7給出了車體動(dòng)態(tài)工況邊界條件及沖擊加速度隨時(shí)間變化的曲線。
圖7 車體動(dòng)態(tài)分析工況邊界條件
動(dòng)態(tài)分析工況下，有限元方法和無(wú)網(wǎng)格方法計(jì)算得到的車體最大應(yīng)力幅值以及整體應(yīng)力分布狀態(tài)均比較一致，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。其中，有限元方法計(jì)算得到車體的最大應(yīng)力為190 MPa，無(wú)網(wǎng)格方法計(jì)算得到的車體最大應(yīng)力為193.6 MPa，車體動(dòng)態(tài)分析最大應(yīng)力值的相對(duì)誤差為1.9%，最大絕對(duì)誤差為3.6 MPa。
圖8 車體動(dòng)態(tài)分析對(duì)比
2.5 仿真計(jì)算效率對(duì)比
圖9給出了車體結(jié)構(gòu)仿真的無(wú)網(wǎng)格方法和有限元方法在計(jì)算時(shí)間上的對(duì)比。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，完成車體結(jié)構(gòu)的上述建模及仿真分析工作，有限元方法所用的總時(shí)間為34 h，而采用無(wú)網(wǎng)格方法時(shí)，所用的總時(shí)間為7 h，所節(jié)省的時(shí)間主要用于有限元模型的前處理工作。
展開(kāi) Adams平衡懸架
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商用車平衡懸架主要結(jié)構(gòu)有：推力桿、中后橋、板簧、平衡軸。
1.推力桿主要有直推和V推，其作用是限制橋的位移，直推一般限制橋的縱向位移（X方向），而V推可以限制縱向和橫向（Y方向）的位移。
2.平衡軸分為整體式和斷開(kāi)式。
商用車平衡懸架的主要作用就是保證中、后橋行駛在不平路面時(shí)，輪胎能時(shí)刻接地。因?yàn)?em>平衡懸架的平衡桿多為等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，因此中、后橋的垂向載荷能時(shí)刻相等。
Adams建立的平衡懸架如下圖所示。
分析前，我們需要校核下中、后橋輪胎的垂向力，以保證模型的準(zhǔn)確性。
展開(kāi) 轉(zhuǎn)子分段移位斜極的永磁同步電機(jī)軸向電磁力分析
當(dāng)轉(zhuǎn)子分4段移位斜極后，不平衡軸向電磁力約為6.00 N。
(a) 轉(zhuǎn)子不斜極
(b) 轉(zhuǎn)子線性分4段移位斜極
圖2 繞組端部軸向電磁力仿真結(jié)果
為分析永磁轉(zhuǎn)子分段移位磁極間漏磁幅值對(duì)軸向電磁力的影響，以一個(gè)軸向分4段的永磁電機(jī)樣機(jī)為例，進(jìn)行有限元仿真分析。假定第①段與第②段、第③段與第④段的磁極之間無(wú)移位，第②段與第③段的磁極之間移位一個(gè)3.75°的齒距角，仿真結(jié)果如圖3所示。
(a) 磁密分布
(b) 軸向電磁力
圖3 轉(zhuǎn)子分段移位磁極間的軸向電磁力仿真結(jié)果
仿真結(jié)果表明，由于①與②、③與④段間磁極之間無(wú)移位，磁密相互對(duì)稱，段間漏磁極少，幾乎不產(chǎn)生軸向電磁力；當(dāng)②與③磁極發(fā)生移位后，導(dǎo)致磁極之間產(chǎn)生漏磁，磁密分布不再對(duì)稱，由此產(chǎn)生不平衡軸向電磁力，其仿真結(jié)果為95.78 N。
綜上分析，永磁轉(zhuǎn)子線性分段移位斜極產(chǎn)生的軸向電磁力主要由繞組端部漏磁和永磁轉(zhuǎn)子移位磁極間的移位漏磁引起，后者為不平衡軸向電磁力的主要部分。
展開(kāi) 【4月17-19日 上海】AVL EXCITE Power Unit公開(kāi)培訓(xùn)
一、培訓(xùn)背景
滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)中各主要旋轉(zhuǎn)部件如曲軸、平衡軸、凸輪軸等的工作特性。不良的潤(rùn)滑條件、不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、過(guò)高負(fù)載、不合適的機(jī)油選型等均會(huì)導(dǎo)致其工作失效。如何準(zhǔn)確有效的分析滑動(dòng)軸承實(shí)際工作過(guò)程中的潤(rùn)滑狀態(tài)一直是企業(yè)及工程師關(guān)注的重點(diǎn)。精確的滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑分析不僅可以指導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)選型，同時(shí)也可指導(dǎo)整機(jī)減磨優(yōu)化。AVL EXCITE PowerUnit 可考慮滑動(dòng)軸承實(shí)際的表面粗糙度、結(jié)構(gòu)型線、供油邊界、機(jī)油屬性、機(jī)油填充率等各方面對(duì)于軸承潤(rùn)滑的影響，同時(shí)集成能量平衡方程考慮潤(rùn)滑油工作過(guò)程中的溫升及溫度分布，在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滑動(dòng)軸承膠合、磨損過(guò)快、軸瓦疲勞、穴蝕等問(wèn)題的基礎(chǔ)上提供優(yōu)化方案。
AVL先進(jìn)模擬技術(shù)部將于2019年4月17-19日（共3天）在上海舉辦EXCITE Power Unit 關(guān)于 EHD 的分析應(yīng)用培訓(xùn)，本次公開(kāi)培訓(xùn)將針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中主要的滑動(dòng)軸承，包括曲軸主軸承、止推軸承、凸輪軸軸承以及平衡軸軸承，詳細(xì)介紹其潤(rùn)滑分析的具體方法以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。此外，本次培訓(xùn)將基于三維閥系建模界面，介紹高效凸輪軸動(dòng)力學(xué)模型建模形式，繼而快速實(shí)現(xiàn)凸輪軸軸承潤(rùn)滑分析。
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