摩托車發(fā)動機(jī)平衡系統(tǒng)研究

摘要：

我國已成為世界摩托車生產(chǎn)大國，發(fā)動機(jī)是摩托車的心臟，為摩托車提供源源不斷的動力。而摩托車的振動問題一直是困擾設(shè)計人員和用戶的頭疼問題。降低摩托車發(fā)動機(jī)的振動是解決摩托車振動的主要途徑，而降低發(fā)動機(jī)的振動就是要平衡掉發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力。平衡軸技術(shù)是摩托車發(fā)動機(jī)中應(yīng)用較廣的一項技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，可有效地緩減摩托車的整車振動，提高駕駛的舒適性。本文對平衡軸技術(shù)原理和在摩托車上的應(yīng)用做一個介紹。

前言

國內(nèi)外很早開始為解決摩托車發(fā)動機(jī)的振動問題進(jìn)行了大量的研究，并在很多摩托車企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，其主要思路大致有兩類：一是真正減小發(fā)動機(jī)活塞的往復(fù)慣性力和曲柄連桿組的旋轉(zhuǎn)慣性力，二是將發(fā)動機(jī)與車架作為一個整體進(jìn)行研究，盡量使發(fā)動機(jī)自身的不平衡力和力矩加在車架上使車架的振動較小，這樣摩托車的舒適性就提高了。國內(nèi)摩托車企業(yè)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時的摩托車排量不是很大，其發(fā)動機(jī)自身的不平衡慣性力對于車架的影響很小，對于摩托車的振動影響不是很大，而且，由于當(dāng)時發(fā)動機(jī)幾乎是防制歐美和日本的，其振動性能較優(yōu)，并且在市場上一直處于供不應(yīng)求地位，所以早期國內(nèi)對振動問題不是很關(guān)注，沒有進(jìn)行深入研究。

隨著摩托車向高速、大排量發(fā)展，市場用戶的需求不斷提高，其振動問題就凸現(xiàn)出來了，許多國外摩托車企業(yè)憑借其雄厚的技術(shù)實(shí)力對其進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，研究表明：振動是不可避免的，只能盡量使其減弱，達(dá)到人體不大察覺的程度，這樣的平衡特性就算最優(yōu)。如美國著名的摩托車企業(yè)哈雷摩托，其車架與發(fā)動機(jī)連接是二點(diǎn)式的，它的其中一點(diǎn)是用橡膠塊連接，而車行方向的自由度沒有約束，這樣人體主要感受到垂直方向的，只要把垂直方向的慣性力做小，駕駛員就不大能感覺到它的振動，減振效果很顯著。國內(nèi)最近幾年也對摩托車振動問題投入了相當(dāng)?shù)年P(guān)注，如武漢汽車工業(yè)大學(xué)就對平衡發(fā)動機(jī)和慣性力的幾種方法進(jìn)行了研究。國內(nèi)許多摩托車企業(yè)也利用各自的優(yōu)勢加入了減振研究的行列里。如力帆集團(tuán)就對125、150、175、200等數(shù)款摩托車發(fā)動機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，加裝了單平衡軸，取得了很好的振動效果，但同時也增加了成本?，F(xiàn)在由于中小排量摩托車?yán)麧櫩臻g有限，一般采用過量平衡法來對發(fā)動機(jī)合慣性力曲線進(jìn)行改進(jìn)，來達(dá)到減振的目的。

1.發(fā)動機(jī)的振動原理概述

在發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)中，活塞的運(yùn)動速度非常快，而且速度很不均勻。在上下止點(diǎn)位置，活塞的速度為零，而在上下止點(diǎn)中間的位置速度達(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，必然在活塞、活塞銷和連桿上產(chǎn)生很大的慣性力。在連桿上配置的配重可以有效地平衡這些慣性力，但連桿上的配重只有一部分運(yùn)動質(zhì)量參與直線運(yùn)動，另一部分參與旋轉(zhuǎn)。除了上下止點(diǎn)位置外，各種慣性力不能被完全平衡，使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生了振動。

當(dāng)活塞每上下運(yùn)動一次，將使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生一上一下兩次振動，所以發(fā)動機(jī)的振動頻率和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。在振動理論上，常使用多個諧波振動來描述發(fā)動機(jī)的振動，其中振動頻率和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相同的叫一階振動，頻率是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2倍的叫二階振動，依次類推，還存在三階、四階振動。但振動頻率越高，振幅就越小，2階以上可以忽略不計。其一階動占整個振動的70%以上，是振動的主要來源。

2.摩托車發(fā)動機(jī)平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能概述

發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動的原因有如下幾點(diǎn)：

2.1由于氣缸內(nèi)氣體壓力變化，從而通過活塞連桿使曲軸上扭矩交變引起的振動。

2.2發(fā)動機(jī)工作過程中，活塞連桿作往復(fù)運(yùn)動時往復(fù)慣性力得不到平衡產(chǎn)生的振動。

2.3氣缸內(nèi)氣體壓力變動以及發(fā)動機(jī)各種旋轉(zhuǎn)件不平衡所引起的振動。

2.4發(fā)動機(jī)運(yùn)動速度波動過大，引起慣性力增大和扭振加劇。

為了消除振動，采用的方法有很多，例如采用輕質(zhì)的活塞減少運(yùn)動件的質(zhì)量、提高曲軸的剛度、采用90度夾角的v型雙缸布置發(fā)動機(jī)等等。但在摩托車發(fā)動機(jī)上普遍采用的方式是增加一個平衡軸來解決。平衡軸簡單地說是一個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)生的反向振動力，使發(fā)動機(jī)獲得良好的平衡，降低發(fā)動機(jī)的振動。

單平衡軸采用單一的平衡軸，利用齒輪傳動方式進(jìn)行工作，通過曲軸旋轉(zhuǎn)帶動連接的平衡軸驅(qū)動齒輪→平衡軸從動齒輪→平衡軸。單平衡可以平衡占整個振動比例相當(dāng)大的一階振動，可以使發(fā)動機(jī)的振動得到明顯改善。由于單平衡軸方式結(jié)構(gòu)簡單，占用的空間小，在單缸和小排量的發(fā)動機(jī)中應(yīng)用較廣。

3.結(jié)論

造成摩托車振動的原因是多種多樣的，因此消除或限制摩托車振動的方法也各不相同。為了消減摩托車的振動，應(yīng)該了解摩托車產(chǎn)生振動的原因。究其原因：一是行駛路面不平車輪顛簸牽動整車發(fā)生振動：二是車體旋轉(zhuǎn)（如車輪）不平衡產(chǎn)生的振動：三是發(fā)動機(jī)本身的振動。發(fā)動機(jī)一般是通過鏈條驅(qū)動后車輪，因此它難于實(shí)現(xiàn)與車架的柔性連接，故發(fā)動機(jī)的振動將直接傳給車架。

發(fā)動機(jī)為一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，發(fā)動機(jī)的平衡實(shí)際上是對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。本論文針對摩托車發(fā)動機(jī)單缸曲柄連桿機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)為研究對象，對摩托車單缸發(fā)動機(jī)的過量平衡法以及在此基礎(chǔ)上通過系統(tǒng)動力學(xué)研究發(fā)動機(jī)的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)動機(jī)主軸速度過大的波動，對發(fā)動機(jī)完成其工藝過程是十分有害的，它可以使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動和噪聲，使運(yùn)動副中產(chǎn)生過大的動負(fù)荷，從而縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命。然而，這種波動大多又是不可避免的，因此，如何分析、計算機(jī)械系統(tǒng)的速度波動（也稱機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動規(guī)律），并且在設(shè)計中采用較經(jīng)濟(jì)的措施將過大的波動予以調(diào)節(jié)是很有研究意義的問題。

總之，隨著隨機(jī)振動理論、舒適性研究方法的成熟及計算機(jī)的快速發(fā)展，應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)對摩托車的舒適性進(jìn)行分析預(yù)測和檢測無論是在開發(fā)設(shè)計階段還是在檢驗(yàn)階段都具有精確方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際的開發(fā)和檢測中應(yīng)該而且也必將會得到更廣泛的應(yīng)用。