摘 要

汽车是当今社会普遍使用的交通工具之一，它带给人们的生活诸多便利。同时，人们也更加希望汽车在使用上能够安全和舒适。发动机作为汽车的动力源，其工作平稳性是影响车辆安全性和舒适性的重要因素之一。由于三缸发动机的许多优点，目前越来越多的车辆选择使用三缸发动机，然而三缸发动机在运转时，由于曲柄连杆机构的周期性运动，会使曲轴受到不平衡惯性力和惯性力矩，这不仅会影响行车安全，也会引起振动和噪声，直接影响车辆乘坐的舒适性。因此，对三缸发动机的力学性能和平衡性能进行分析，并据此设计合理的平衡轴系统，以最大限度的平衡发动机运转时产生的不平衡量，减小发动机的振动，提高车辆的安全性和舒适性，具有十分重要的现实意义。

针对某型号的三缸发动机，本文主要研究内容如下：

（1）根据三缸发动机曲柄连杆机构工作原理，分析三缸发动机曲轴所受到的不平衡惯性力和惯性力矩，通过查阅相关资料，了解能平衡三缸发动机不平衡量的方法。

（2）比较发动机各类平衡系统的优缺点，根据某型号三缸发动机的不平衡量、技术要求等因素，确定三缸发动机的平衡系统方案。

（3）根据三缸发动机的不平衡量，以及平衡轴系统的性能要求和工作环境，对平衡轴系统各零部件进行结构设计，并用solidworks软件完成平衡轴系统各零部件的建模和系统的装配。

（4）利用ANSYS Workbench软件对平衡轴系统弹性齿轮进行有限元分析和模态分析，以得到弹性齿轮的静力学特性和动力学特性。比较弹性齿轮和金属齿轮静力学特性和动力学特性，证明使用弹性齿轮的优越性。

本文的研究工作能为三缸发动机平衡轴系统的结构设计提供理论基础和参考，同时通过对弹性齿轮特性的分析，为弹性齿轮的设计和应用提供了参考。

关键词：三缸发动机；平衡系统；ANSYS；弹性齿轮

Abstract

In recent society, vehicles are one of the most popular transports which brings a lot of convenience to people's lives. At the same time, people have higher expectations of the vehicles’ safety and comfort. As the power supply of the vehicles’ motor, the stability of the motor is one of the most important factors that affect the vehicles safety and comfort. Because of the advantages of the three-cylinder engine, now more and more vehicles choose to use the three-cylinder engine. However, when the three-cylinder engine is running, the connecting rod will move cyclicity. This may cause the crankshaft subjected to the unbalanced inertial force and torque. This will not only affect the driving safety, but also cause vibration and noise, which directly affect the comfort of vehicles. Therefore, making analysis of mechanical property and balance performance of the three-cylinder engine, and designs a reasonable balance system to effectively balance the unbalance quantity, reduce the vibration of the engine and improve vehicle safety and comfort, has very important realistic significance.

Aiming at a certain type of three-cylinder engine, the main contents of this dissertation are as follows:

(1) According to the operational principle of the connecting rod mechanism of three-cylinder engine, analyzes the unbalanced inertia force and inertia moment of crankshaft. By referring to relevant references, we can understand the method of balancing the unbalance of three-cylinder engines.

(2) Comparing the advantages and disadvantages of various engine balancing systems, confirm the balance system scheme for a three-cylinder engine according to unbalance and technical requirements of a certain type of three cylinder engine.

(3) According to the unbalance of the three-cylinder engine, as well as the performance requirements and working environment of the balancing system, the structural design of each part of the balancing system is carried out. Then using ‘SolidWorks’ software to complete the modeling and assembly of the parts of the balance system.

(4) The finite element analysis and modal analysis of the elastic gear of the balanced system are carried out to obtain the static and dynamic characteristics of the elastic gear by using ‘ANSYS Workbench’ software. Comparing the static and dynamic characteristics of elastic gears and metal gears, the advantages of using elastic gears are proved.

The research work of this dissertation can provide the theoretical basis and reference for the structural design of the three-cylinder engine’s balancing system. At the same time, according to analyse the characteristics of the elastic gear, it provides a reference for the design and application of the elastic gear.

Key Words：Three-cylinder engine；Balance system；ANSYS；Elastic gear

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 发动机平衡技术的国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 课题支撑与主要研究内容 6

1.3.1 课题支撑 6

1.3.2 课题主要研究内容 6

第2章 三缸发动机平衡性分析 7

2.1 三缸发动机的工作原理 7

2.2 三缸发动机受力分析 7

2.2.1 往复惯性力 8

2.2.2 旋转惯性力 9

2.2.3 往复惯性力矩 10

2.2.4 旋转惯性力矩 11

2.3 三缸发动机的平衡方法 11

2.3.1 三缸发动机旋转惯性力矩平衡方法 11

2.3.2 三缸发动机往复惯性力矩平衡方法 12

2.4 本章小结 14

第3章 三缸发动机平衡轴系统的总体设计 15

3.1 三缸发动机不平衡量 15

3.2 平衡轴系统方案选择 15

3.3 平衡轴径向尺寸设计 15

3.4 平衡轴驱动系统的设计 16

3.4.1 平衡轴驱动方式的选取 16

3.4.2 齿轮设计 18

3.4.3 齿轮材料选择 19

3.4.4 齿轮参数化模型 20

3.4.5 齿轮校核 21

3.5 平衡重的设计 21

3.5.1 平衡重技术要求 21

3.5.2 平衡重样式选择 22

3.5.3 平衡重材料选择 22

3.5.4 平衡重模型 22

3.5.5 平衡重静不平衡量校核 23

3.6 滚动轴承的设计 23

3.6.1 滚动轴承数量的确定 23

3.6.2 滚动轴承类型的选择 24

3.6.3 滚动轴承的寿命校核 24

3.7 平衡轴长度设计 26

3.8 本章小结 27

第4章 平衡轴系统从动齿轮静力学和动力学特性分析 28

4.1 基于ANSYS的弹性齿轮应力应变分析 28

4.1.1 弹性齿轮有限元分析模型 28

4.1.2 弹性齿轮应力与应变特性分析 32

4.1.3 弹性齿轮设计合理性分析 35

4.2 基于ANSYS的弹性齿轮模态分析 35

4.2.1 弹性齿轮模态分析模型 36

4.2.2 弹性齿轮模态特性分析 37

4.3 本章小结 39

第5章 全文总结与展望 40

5.1 全文总结 40

5.2 研究展望 40

参考文献 42

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

汽车的出现改变了人们的生活，使人们的出行更加方便。世界汽车持有量逐年增加，汽车的发展也从未停步^[1]。国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中，明确说明了我国汽车节能标准的整体目标，即为了应对越来越严重的燃油供求矛盾和环境污染问题，要求到2020年，所生产的乘用车的平均燃料消耗量下降到5.0L/100km^[2]。为了满足要求的油耗标准，许多车企不断尝试各种技术手段来达到5升目标，小排量、混合动力及新能源汽车成为各个厂家研发的重点。三缸发动机以环保、油耗低、结构简单、节省制造成本、维修费用少等优势成为小排量乘用车发动机发展的新趋势，符合国家政策和环境保护需要。但是三缸发动机自身的结构特征致使气缸工作时机体存在严重的不平衡现象，直接引起车辆的振动，对行车安全产生了很大的威胁，同时也降低了行车的舒适性^[3]。

三缸发动机是往复活塞式发动机，其内部惯性力系中的不平衡惯性力和惯性力矩是引起发动机振动的重要激励源^[4]。曲轴系是发动机中最重要的机件之一，在曲柄连杆机构中，活塞在气缸中作周期性往复直线运动，通过连杆、曲柄等部件将直线运动转变为曲轴的旋转运动，这一系列运动使曲轴受到周期性变化的力和力矩，由此产生了振动，这是引起发动机振动的主要原因^[5,6,7]。发动机的振动会影响车辆行驶过程中的平顺性，从而影响乘坐的舒适性，使驾驶员和乘客感到疲劳，对行车安全构成了威胁。此外，振动还会造成能量的消耗，使发动机的效率降低，并产生振动和噪声，影响人们的日常生活^[8,9]。因此，如何设计平衡系统，改善和消除三缸发动机的不平衡问题具有重要的意义。

1.2 发动机平衡技术的国内外研究现状

近年来，随着经济的增长以及生活水平的提高，人们对车辆的噪声、振动、平顺性（NVH特性，Noise、Vibration、Harshness）和安全性的要求越来越高，因此从发动机产生振动的原因出发，研究如何减弱甚至完全消除振动具有非常重要的意义。曲轴是发动机中高速运转的部件之一，其产生的不平衡力和力矩是引起发动机振动的主要原因，因此许多公司和研究人员都致力于曲轴平衡系统设计这一方面的研究。目前，国内外许多研究人员已经进行了大量卓有成效的研究，得到了许多可行的方案，并应用于实际当中。

1.2.1 国外研究现状

国外的汽车工业已经发展了上百年，如美国、德国、英国等汽车工业先进国家，它们的汽车工业已经很发达，在汽车方面也有很多优秀的研究成果^[10]。对于发动机的曲轴，国外已经有比较多的深入的研究成果，并且已经研发了多种曲轴平衡方法。