基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)減振研究

楊冬香 YANG Dong-xiang；耿愛(ài)農(nóng) GENG Ai-nong；張愛(ài)華 ZHANG Ai-hua

（①五邑大學(xué)機(jī)電工程系，江門 529020；②五邑大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院，江門 529020）

（①Department of Electrical and Mechanical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China；②School of Mathematics and Computer Science，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)成為阻礙我國(guó)摩托車行業(yè)發(fā)展的一大障礙，它不僅影響摩托車的操作穩(wěn)定性和行駛舒適性，而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響駕駛者騎行的安全性。而引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的一個(gè)根本原因就是曲柄連桿機(jī)構(gòu)周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。為了降低甚至消除振動(dòng)，采用的方法一般為兩種：①在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上配置適當(dāng)?shù)钠胶庵兀虎谠诎l(fā)動(dòng)機(jī)上增加一個(gè)平衡軸[1]。配置平衡重只是用于平衡發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的一階慣性力，即在曲柄的相反端裝上適當(dāng)?shù)钠胶庵?，利用平衡重質(zhì)量旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力平衡活塞連桿往復(fù)產(chǎn)生的慣性力。而采用平衡軸減振方式又有兩種：雙平衡軸和單平衡軸。雙平衡軸的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，而且占用空間大，一般在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，或者應(yīng)用于大排量的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)[2]。單平衡軸是采用單一的平衡軸，是在平衡重法的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次一階慣性力平衡，能很好地彌補(bǔ)平衡重的缺陷，而且占用空間小，成本低，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常適合應(yīng)用于小排量摩托車[2,3]。

目前，我國(guó)的摩托車企業(yè)一般使用平衡配重和單平衡軸來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)[3]。但是面臨的問(wèn)題是振動(dòng)的問(wèn)題并沒(méi)有得到很好的解決。究其原因，很大部分在于在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要不斷制造物理樣機(jī)，反復(fù)試驗(yàn)，因此開(kāi)發(fā)成本高，周期長(zhǎng)，研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高，特別是中小型企業(yè)無(wú)法負(fù)荷，無(wú)法深入系統(tǒng)地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研究[4]。

針對(duì)此現(xiàn)狀，本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)模型，對(duì)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出平衡重和平衡軸的優(yōu)化結(jié)果，為之后的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 兩缸摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)中，活塞在氣缸內(nèi)做高速的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，必然在活塞組件（活塞、活塞環(huán)、活塞銷等等）和連桿上產(chǎn)生較大的往復(fù)慣性力、往復(fù)慣性力矩、旋轉(zhuǎn)慣性力等等[3]。如果這些振動(dòng)源不能在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通過(guò)與其他力達(dá)到相互平衡，就會(huì)把力通過(guò)曲柄軸承傳給發(fā)動(dòng)機(jī)懸置點(diǎn)，進(jìn)而傳到整個(gè)車身，引起摩托車整車的振動(dòng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]、[7]、[8]，對(duì)于 0-180°曲拐布置的兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)慣性力、一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力矩由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身構(gòu)造已經(jīng)得到完全平衡。所以本文的減振研究對(duì)象為旋轉(zhuǎn)慣性力矩和一階往復(fù)慣性力矩。

1.2 兩缸摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立 為分析摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況，本文基于ADAMS/Engine軟件建立起相應(yīng)的曲柄連桿系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型。

由于在ADAMS/Engine的內(nèi)置曲柄連桿機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)中，并沒(méi)有和本文研究發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的模板。因此本文首先利用ADAMS/Engine的自定義模板建立一個(gè)直列式兩缸汽油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)模板，如圖1。此模板建立所需發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)全局參數(shù)來(lái)源于曲柄連桿總成裝配圖，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)模型基本參數(shù)

圖1 兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

此后，將建好的模型添加曲柄連桿專用的試驗(yàn)臺(tái)，生成裝配文件，導(dǎo)入ADAMS/Engine的標(biāo)準(zhǔn)界面，同時(shí)以ADAMS/Engine燃?xì)鈮毫η€文本格式（.gaf）導(dǎo)入排量為120cc的燃?xì)鈮毫?，生成仿真模型?/p>

2 兩缸摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)減振優(yōu)化分析

本文選取測(cè)試標(biāo)定速度為3000r/min，利用ADAMS/Engine的標(biāo)準(zhǔn)界面內(nèi)置的曲柄連桿機(jī)構(gòu)靜態(tài)分析進(jìn)行慣性力的分析。

2.1 平衡重優(yōu)化 對(duì)于一般的優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，優(yōu)化方法是以平衡重的重量和平衡重的質(zhì)心半徑（質(zhì)心偏曲軸中心的半徑）為設(shè)計(jì)變量，以發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)方向的慣性力為優(yōu)化對(duì)象，利用ADAMS/View的動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法來(lái)得到理想的平衡重量和平衡重質(zhì)心半徑。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的初期整體設(shè)計(jì)非常有效，但是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)平衡重的后期優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)的的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本固定，很難修改其尺寸。所以經(jīng)過(guò)迭代得出的優(yōu)化的最佳結(jié)果很大可能在實(shí)際中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)和外形等各種因素的限制，因此本文逆其道而行，從曲柄連桿的設(shè)計(jì)模型入手，盡量在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部和曲柄的結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，優(yōu)化改變曲柄的外形，再分析其引起發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)方向的慣性力振動(dòng)結(jié)果，得出相對(duì)最優(yōu)的平衡重量和質(zhì)心半徑。

理論上說(shuō)，通過(guò)增加平衡重的重量或者增加平衡重質(zhì)心半徑，能完全平衡旋轉(zhuǎn)慣性力，且還能減低活塞連桿產(chǎn)生的一階往復(fù)慣性力。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)平衡重減振原理上，通常平衡重要過(guò)量配重，使其可以適當(dāng)?shù)叵麥p一階慣性力。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行分析，目前本文分析所針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有模型的平衡重的重量和平衡重偏心距乘積為3.457kg*mm。因此本文對(duì)平衡重和其偏心距的乘積取下表2所示值，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)模型中平衡重還達(dá)不到完全完全平衡旋轉(zhuǎn)慣性力的要求，因此本文的模型優(yōu)化的方向就是要增大曲柄平衡塊的質(zhì)量和其偏心距。

表2 平衡重的重量和平衡重偏心距乘積選取范圍

在不影響其他部件的前提下，本文對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行了修改，在有限的空間范圍內(nèi)增加了平衡重的質(zhì)量，將平衡重與偏心距的乘積從原有的3.457kg*mm增加到了4.483kg*mm。分別將兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS/Engine模型，得到仿真結(jié)果如圖2，3。

圖2 平衡重優(yōu)化前后活塞運(yùn)動(dòng)方向慣性力曲線

圖3 平衡重優(yōu)化前后垂直活塞運(yùn)動(dòng)方向慣性力曲線

通過(guò)Adams/Post Processor后處理模塊測(cè)量，活塞運(yùn)動(dòng)方向優(yōu)化前振動(dòng)峰值為376.00N，優(yōu)化后振動(dòng)峰值為340.33N。前后優(yōu)化峰值相差35.67N，減振效果接近10%。對(duì)于垂直活塞運(yùn)動(dòng)方向，如圖3，通過(guò)比較前后兩條曲線的峰值得到減振效果接近50%，起到較好的減振效果。

但因?yàn)閮?yōu)化的空間有限，最大化的平衡重在本文試驗(yàn)中并不能完全平衡旋轉(zhuǎn)慣性力。

2.2 平衡軸優(yōu)化 本文在平衡軸的優(yōu)化中使用單平衡軸的方法。單平衡軸法一般采用與發(fā)動(dòng)機(jī)反向同速，目的在于平衡活塞方向的一階往復(fù)慣性力和由過(guò)量平衡重產(chǎn)生的Y方向的離心力。但是從上節(jié)的平衡重的分析結(jié)果可知，由于空間等的限制，平衡重并不能完全平衡掉旋轉(zhuǎn)慣性力，因此，反向旋轉(zhuǎn)的平衡軸反而會(huì)增大Y軸的振動(dòng)。因此，根據(jù)實(shí)際情況，本文采用平衡軸與發(fā)動(dòng)機(jī)同速同向的設(shè)置。平衡軸相對(duì)與平衡重屬于外部平衡，在外部添加平衡機(jī)構(gòu)的優(yōu)化空間比內(nèi)部更廣，因此可以追求平衡軸的最優(yōu)解。本文使用ADAMS/Insight模塊的試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiments，DOE）求其最優(yōu)解。

首先，本文在ADAMS/Engine模塊中建立帶單平衡軸的兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬模型，如圖4。建立的單平衡軸模型帶有雙平衡塊，其角度位置剛好180°相反。

圖4 帶平衡軸的曲柄連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

以平衡塊質(zhì)量與質(zhì)心半徑乘積為設(shè)計(jì)變量，以活塞運(yùn)動(dòng)方向的慣性力為測(cè)量目標(biāo)，在ADAMS/Insight模塊中使用掃描式（sweep）試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到圖5的分析結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，曲線存在一個(gè)最低點(diǎn)，就是當(dāng)取第21個(gè)取值點(diǎn)，得到的活塞運(yùn)動(dòng)方向的慣性力振動(dòng)最小，此時(shí)平衡軸上平衡塊的質(zhì)量和質(zhì)心半徑的乘積為4.874kg*mm。

圖5 試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果趨勢(shì)曲線圖

將優(yōu)化得出的平衡塊質(zhì)量和質(zhì)心半徑的乘積為4.874kg*mm導(dǎo)入ADAMS/Engine模型的平衡軸中，并仿真得到活塞運(yùn)動(dòng)方向的慣性力分析結(jié)果，如圖6。對(duì)添加平衡軸的活塞方向的慣性力進(jìn)行頻譜分析，如圖7，活塞運(yùn)動(dòng)方向的一階慣性力幾乎為0。因此優(yōu)化后的平衡軸不僅完全平衡了發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性力，還完全平衡活塞連桿的一階往復(fù)慣性力。

圖6 平衡軸優(yōu)化前后活塞運(yùn)動(dòng)方向的慣性力曲線圖

圖7 平衡軸優(yōu)化后的慣性力頻譜圖

基于前面的理論分析，如果完全平衡活塞方向的一階往復(fù)慣性力，那么在垂直活塞的運(yùn)動(dòng)方向（即Y方向）必定是已經(jīng)過(guò)量平衡。利用ADAMS/Engine模塊對(duì)垂直的活塞方向的慣性力進(jìn)行仿真，并與本文2.1節(jié)中僅有平衡重的優(yōu)化的結(jié)果對(duì)比，如圖8，顯然，兩次曲線的相位不同，增加的同向旋轉(zhuǎn)平衡軸完全平衡旋轉(zhuǎn)慣性力，同時(shí)因?yàn)檫^(guò)量平衡，所以產(chǎn)生了垂直活塞運(yùn)動(dòng)方向的反向慣性力，符合之前的理論推斷。這種通過(guò)消減一個(gè)方向的振動(dòng)，將其減少的振動(dòng)轉(zhuǎn)移到預(yù)定的方向，也是常用的一種減振方法。但是雖然因?yàn)檗D(zhuǎn)移產(chǎn)生了新的反向慣性力，不過(guò)相對(duì)與之前，總體的振動(dòng)慣性力還是有所減低。

圖8 平衡軸優(yōu)化前后垂直活塞運(yùn)動(dòng)方向慣性力曲線

3 總結(jié)

本文基于ADAMS/Engine建立了直列式兩缸摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并在對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行了平衡重和平衡軸優(yōu)化，優(yōu)化效果明顯。活塞運(yùn)動(dòng)方向的一階振動(dòng)幾乎消減為零。余下階數(shù)的總振動(dòng)力峰值在100N以內(nèi)，可以通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置點(diǎn)上添加彈簧等減振措施，使摩托車整車的振動(dòng)降到非常低。

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