通用小型汽油機(jī)氣缸布置方式對整機(jī)振動的影響

陸存豪，劉勝吉，李志丹

（1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn) 江 212013；2.中國一拖集團(tuán)有限公司，河南 洛 陽 471000）

通用小型汽油機(jī)是我國內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中近幾年產(chǎn)量增幅最大的產(chǎn)品，從2001年的不足100萬臺到目前年產(chǎn)量超過2 000萬臺，且產(chǎn)量的80%是銷往國外，我國已經(jīng)成為世界通用小型汽油機(jī)的主要生產(chǎn)基地［1］。雖然我國的通用小型汽油機(jī)產(chǎn)量較大，但是生產(chǎn)的產(chǎn)品多為仿制生產(chǎn)，自主研發(fā)產(chǎn)品極少；與其他國家同類產(chǎn)品相比，批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差，大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品樣機(jī)已通過歐盟、美國EPA的排放、安全認(rèn)證，但出口歐美等高端市場產(chǎn)品完全滿足國外的排放法規(guī)有一定困難，因此產(chǎn)品出口到東南亞、非洲等市場的比例較高，附加值較低。隨著買方市場的強(qiáng)勢，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求愈來愈高，許多技術(shù)問題需要解決［2］。小型汽油機(jī)或機(jī)組在自由狀態(tài)下運(yùn)行的振動在產(chǎn)品訂貨、驗(yàn)收樣機(jī)開機(jī)運(yùn)行時最容易被感官檢驗(yàn)，雖然國外對汽油機(jī)及機(jī)組的振動指標(biāo)沒有強(qiáng)制性法規(guī)，但是汽油機(jī)振動所引起的噪聲、零件磨損或損壞、產(chǎn)品可靠性下降，使得國外消費(fèi)者在選擇產(chǎn)品時對汽油機(jī)振動性能特別關(guān)注。因此減小通用小型汽油機(jī)的振動是提升企業(yè)產(chǎn)品競爭力的有效措施之一［3］，應(yīng)該引起各企業(yè)的重視。

目前汽油機(jī)振動模擬計(jì)算技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在車用汽油機(jī)和摩托車汽油機(jī)振動分析中的應(yīng)用已有報(bào)道［4］，但關(guān)于通用小型汽油機(jī)的振動分析及減振的文獻(xiàn)還很少。本研究運(yùn)用Adams工程軟件進(jìn)行168F汽油機(jī)的振動模擬，研究了不同氣缸布置方式對汽油機(jī)振動的影響，并通過振動試驗(yàn)驗(yàn)證模擬計(jì)算的可靠性。

1 168F汽油機(jī)樣機(jī)振動測試平臺

對1臺168F小型汽油機(jī)樣機(jī)進(jìn)行振動試驗(yàn)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 10398—2008《小型汽油機(jī)振動評級和測試方法》［5］要求制作了通用小型汽油機(jī)振動試驗(yàn)專用試驗(yàn)平臺，結(jié)構(gòu)見圖1。

168F通用小型汽油機(jī)的質(zhì)量為13.6kg，汽油機(jī)長185mm、寬185mm、高220mm，汽油機(jī)形心至曲軸中心線距離20mm，汽油機(jī)安裝位置是曲軸中心線與X軸方向平行，曲軸中心線至平板頂面的距離105mm；平板長1 100mm，寬700mm，厚度28mm，平板、支撐彈簧及其附件構(gòu)成的試驗(yàn)平臺質(zhì)量為173kg，汽油機(jī)安裝緊固裝置約為3kg；4個支撐彈簧的彈簧剛度為37 567N／m，汽油機(jī)與試驗(yàn)平臺組成了多自由度的振動系統(tǒng)。振動測點(diǎn)是在平板的X，Y軸上與平板中心對稱，測點(diǎn)數(shù)為4個。圖1中1，2，3，4為測點(diǎn)位置。每個測點(diǎn)裝有3方向的加速度傳感器拾取X，Y，Z3個方向上的振動信號，經(jīng)過電荷放大器后振動信號接入數(shù)字示波器，可直接讀取振動速度的最大均方根值［6］，得出振動烈度值。

2 仿真模型的建立

在Adams／view的環(huán)境下建立168F通用小型汽油機(jī)振動測試仿真模型（見圖2）。該模型完全是按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動試驗(yàn)臺及測試系統(tǒng)建立的，平板上4個黑色的點(diǎn)即為測點(diǎn)1，2，3，4的位置。仿真結(jié)束后，在Adams軟件的后處理程序Adams／Postprocessor測量欄中選中mark1，mark2，mark3，mark4點(diǎn)，即測點(diǎn)1，2，3，4的 X，Y，Z3個方向的振動速度，振動速度的波形即可顯示出，再點(diǎn)擊Plot tracking數(shù)據(jù)處理按鈕，軟件即可算出該振動波形的RMS值，即該振動速度波形的均方根值。

3 結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)速對振動的影響

首先在1 800，2 200，2 500，2 800，3 200，3 600，4 000r／min轉(zhuǎn)速下對汽油機(jī)空載運(yùn)行的振動進(jìn)行了測試和模擬分析，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比見圖3。試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果變化趨勢基本一致，3 600r／min時二者最為接近，汽油機(jī)試驗(yàn)當(dāng)量振動烈度（Vs）為58.4mm／s，模擬計(jì)算結(jié)果為57.6mm／s，因此模擬計(jì)算有較高的可靠性。

從圖3可以看出，168F小型汽油機(jī)振動值的最低點(diǎn)為2 500r／min空載工況，此時當(dāng)量振動烈度為47.32mm／s；當(dāng)量振動烈度最大值為64mm／s，出現(xiàn)在4 000r／min空載工況。隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，當(dāng)量振動烈度先減小后增大。在怠速1 800r／min時，由于進(jìn)氣量少，缸內(nèi)和進(jìn)氣流道溫度較低，燃油霧化質(zhì)量差，導(dǎo)致燃燒較為惡劣，汽油機(jī)循環(huán)波動率大，氣缸壓力變化大引起汽油機(jī)振動較大。隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速增大，進(jìn)氣量增多，空氣流動加強(qiáng)，缸內(nèi)溫度高，燃油霧化和油氣混合較好，燃燒穩(wěn)定使得缸內(nèi)最高燃燒壓力增大，循環(huán)波動減小。轉(zhuǎn)速較低時，旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力較小；超過2 500r／min時，不平衡慣性力是引起振動的主要因素，因此轉(zhuǎn)速增加，汽油機(jī)的振動也隨之加大。

168F汽油機(jī)采用過量平衡法，通過曲軸的平衡塊，在完全平衡旋轉(zhuǎn)慣性力的情況下，部分平衡往復(fù)慣性力，使Y，Z各單方向的振動振幅減小，整機(jī)振動改善，保證汽油機(jī)可靠運(yùn)行。與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單軸或雙軸完全平衡法相比，過量平衡法整機(jī)減振效果略差，但其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、可移動性好，目前國內(nèi)外缸徑75mm以下的機(jī)型多采用過量平衡結(jié)構(gòu)，平衡量值為50%左右時機(jī)器振動烈度最小。

另對168F小型汽油機(jī)的激振力F進(jìn)行計(jì)算，圖4示出在3 600r／min轉(zhuǎn)速下，激振力F隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化和激振力在Y，Z兩個方向的分力。從圖中可以看出，激振力F隨曲軸轉(zhuǎn)角呈正弦變化規(guī)律，最大值為551.5N，其在Y和Z方向上的分力亦呈正弦變化規(guī)律。

3.2 氣缸布置方式對振動的影響

圖5示出氣缸斜置角對168F整機(jī)振動烈度的影響，計(jì)算轉(zhuǎn)速為汽油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 600r／min。氣缸斜置角為0°時，氣缸為臥式布置；氣缸斜置角為90°時，氣缸為立式布置。氣缸斜置角在0°～90°范圍變化時，從當(dāng)量振動烈度的變化看，在氣缸斜置角為45°時整機(jī)振動最小，當(dāng)量振動烈度為45.1mm／s，與25°斜置角相比，樣機(jī)的振動烈度減小了29.5%。斜置角為0°和90°時當(dāng)量振動烈度均較大，分別為64.9mm／s和60.4mm／s。隨著氣缸斜置角度增大，測點(diǎn)1的Y方向振動速度不斷減小，Z方向振動速度不斷增大（見圖5b）。在氣缸斜置角為45°時，Y 方向振動速度為11.2mm／s，Z方向振動速度為10.9mm／s，使得整機(jī)在Y方向和Z方向振動速度值最優(yōu)，汽油機(jī)當(dāng)量振動烈度最小。

另外計(jì)算出在3 600r／min轉(zhuǎn)速、不同氣缸斜置角下激振力在Y，Z方向上的變化（見圖6）。在不同斜置角下Y和Z方向上的激振分力不但峰值相位不同，而且峰值大小也不相同。在Y方向上，激振分力的峰值隨著斜置角的增加而減??；在Z方向上，激振分力峰值隨著斜置角的增加而增加。

氣缸斜置角不同，汽油機(jī)在垂直和水平方向上激振分力也不同。當(dāng)斜置角過小時，水平方向分力過大，水平方向振動速度變大；當(dāng)斜置角過大時，垂直方向分力過大，垂直方向振動速度變大。氣缸斜置角在45°時，垂直和水平方向分力取得折中，使得整機(jī)振動最小。

氣缸斜置角對汽油機(jī)其他工作系統(tǒng)也會產(chǎn)生影響。比如斜置角變大，使汽油機(jī)高度加大，質(zhì)心變高，采用飛濺潤滑結(jié)構(gòu)的氣門罩殼內(nèi)的零件潤滑可靠性需特別注意。因此在保證汽油機(jī)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布置合理的情況下，氣缸斜置角取值為45°左右時，汽油機(jī)振動性能較好。

4 結(jié)論

a）目前缸徑小于75mm的通用小型汽油機(jī)，整機(jī)采用無平衡軸的過量平衡法，通過曲軸平衡塊可平衡活塞連桿的往復(fù)慣性力約50%，汽油機(jī)的振動特性低速時受缸內(nèi)燃燒的循環(huán)波動影響，高速時與氣缸布置等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)；

b）在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，氣缸斜置45°時振動最小，臥式或立式氣缸布置振動都較大；氣缸45°斜置較臥式布置整機(jī)當(dāng)量振動烈度低41.9%，較原機(jī)25°氣缸斜置結(jié)構(gòu)整機(jī)當(dāng)量振動烈度低29.5%；

c）氣缸斜置角不同，汽油機(jī)在各個方向激振力分力也不同，斜置角為45°時，激振力分布最合理。

［1］ 中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會.2011年中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒［M］.14版.上海：上海交通大學(xué)出版社，2011：84－87.

［2］ 廖發(fā)良，楊 宏.小型汽油機(jī)的性能改進(jìn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（1）：130－135.

［3］ 萬年紅.以小型汽油機(jī)為動力的草坪修剪機(jī)的振動研究［J］.黎明職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（3）：40－42.

［4］ Sakamoto Y，Kawamura S，Sunayama Y.Study of Bolt Model to Improve Accuracy of Engine Vibration Analysis［C］.SAE Paper 2010－32－0026.

［5］ 標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB／T 10398—2008 小型汽油機(jī)振動評級和測試方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［6］ 劉勝吉，李志丹，張振寧，等.通用小型汽油機(jī)的振動測試與分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（4）：34－36.