摩托车发动机平衡系统研究

摩托车发动机平衡系统研究

董文博

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摘要：我国摩托车制造业已经发展到世界第一水平，而发动机又是摩托车的“心脏”，为摩托车提供了无穷无尽的动力。然而，摩托车振动问题一直困扰着设计者和使用者。要解决摩托车振动问题，最主要的方法就是降低发动机的振动，降低发动机的振动需要平衡发动机的曲柄连杆机构的惯性力。平衡轴技术在摩托车发动机上得到了广泛的应用，其结构简单、实用，能有效降低摩托车整车振动，提高行车平顺性。本文介绍了平衡轴的原理及其在摩托车上的应用。

关键词：摩托车；发动机；平衡

引言

为了解决摩托车发动机的振动，国内外开展了很多研究工作，并在许多摩托车企业中得到了应用，其主要思路有两种：一种是真正地减少发动机活塞的往复惯性力和曲柄连杆组的旋转惯性力，另一种是把发动机与车架看成一个整体，尽可能地把发动机自身的不平衡力和力矩加到车架上，使车架的振动变得更小，从而提高了摩托车的舒适性。国内摩托车企业刚起步的时候，因为当时的摩托车排量并不大，发动机本身的惯性不平衡对车架的影响也不大，所以对摩托车振动的影响也不大，再加上当时的发动机基本上都是抵抗欧美、日本等国家的，振动性能更好，市场上也一直是供不应求的状态，所以当时国内并没有太多的重视，也就没有深入的研究。

随着摩托车朝着高速、大排量的方向发展，消费者对摩托车的要求越来越高，它的振动问题也越来越突出，很多国外的摩托车公司利用自己强大的技术力量，对它进行了深入的研究，得出的结论是：振动是无法避免的，只有尽可能地把它降低到人体感觉不到的程度，才能达到最佳的平衡特性。比如美国著名的哈雷摩托，它的车架和发动机都是两个点，两个点之间有一块橡皮板连接在一起，这样它的行驶方向不受限制，人体主要感受的是竖直方向，只要将竖直方向的惯性力减到最小，就不会有太大的震动，起到了很好的减震作用。一、发动机的振动原理概述

在引擎的运转过程中，活塞以极快的速度移动，并且速度极不均匀。在上止点和下止点之间，活塞速度为零，在上止点和下止点之间，活塞速度最大。活塞在缸体中作多次高速直线运动，必然会对活塞、活塞销及连杆产生较大的惯性力。连杆上的配重对平衡惯性力起到了很好的作用，但是只有部分运动质量参与了直线运动和旋转。除了上止点和下止点以外，其它的惯性力都不能得到充分的平衡，从而引起发动机的振动。

一、摩托车发动机平衡系统结构功能概述

在发动机工作时，由于活塞连杆作往复运动，由于往复惯性力没有得到平衡而引起振动。汽缸内气压波动和发动机各转动部件不平衡造成的振动。由于发动机转速波动过大，造成了较大的惯性力，加剧了发动机的扭振。为了降低振动，有很多方法，如使用重量轻的活塞来减轻运动部件的重量，提高曲轴的刚度，使用与发动机成90度角的 V型双缸排列等。但是，目前广泛应用于摩托车发动机的方法是在发动机上加装一根平衡轴。平衡轴是一根安装有偏心重物的轴杆，它与曲轴一起转动，通过偏心重物产生的反作用力，使发动机达到较好的平衡性和减振效果。

单平衡轴是指一根平衡轴，采用齿轮传动方式，由曲轴转动带动连接的平衡轴主动齿轮→平衡轴从动齿轮→平衡轴。一阶振动在整个振动中所占的比重较大，单平衡可使发动机振动有明显改善。单轴平衡方式因其结构简单、占地面积小而被广泛应用于单缸、小排量发动机。

摩托车振动产生的原因很多，因而要采取不同的措施来抑制或抑制其振动。要想减少摩托车振动，就必须弄清楚摩托车振动的成因。主要原因有三个：第一，路面不平，车轮颠簸；第二，车身转动不平衡（如车轮）引起振动；第三，发动机自身振动。由于发动机通常由链条带动后轮，很难与车架形成柔性连接，所以发动机振动会直接传递到车架上。

二、摩托车发动机减振优化分析

本文选择了3000 r/min的测试标定速度，利用 ADAMS/Engine标准界面中的曲柄连杆机构静态分析来分析惯性力。

（一）平衡重优化

在一般的优化设计中，优化方法是将平衡重的重量和平衡重的质心半径（质心偏曲轴中心的半径）作为设计变量，将发动机活塞运动方向的惯性力作为优化对象，通过 ADAMS/View的动态优化算法，获得理想的平衡重量和平衡重质心半径。这种设计方法在发动机的初期整体设计中是十分有效的，但是对于发动机曲柄连杆机构平衡重的后期优化来说，发动机的轮廓及内部结构基本固定，因此很难对其尺寸进行修改。因此，通过迭代得到的最优结果，很有可能在实践中不能得到。考虑到发动机本身的结构、外形等诸多因素的制约，所以本文反其道而行之，以曲柄连杆的设计模型为出发点，尽可能在不影响发动机内部以及曲柄的结构参数的情况下，对曲柄的外形进行优化改变，再对其引起发动机活塞运动方向的惯性力振动结果进行分析，从而获得相对最优的平衡重量以及质心半径。

从理论上来说，可以通过增加平衡重的重量，或者增加平衡重的质量心半径，来对旋转惯性力进行充分的平衡，并且可以降低活塞连杆所产生的一阶往复惯性力。因此，在发动机平衡重载减振原理中，一般都是平衡重载，使重载重载能适当抵消一阶惯量。

通过对已有发动机模型的分析，目前本文对所针对的已有发动机模型的平衡重的重量以及平衡重偏心率乘积为3.457 kg* mm。所以，取下平衡重和其偏心率的乘积，经过分析，发现在现有的发动机模型中，平衡重还不能达到完全完全平衡旋转惯性力的要求，所以，本文的模型优化的方向就是要增大曲轴平衡块的质量和其偏心率。

本文在不影响其它构件的情况下，对已有模型作了一些改进，在有限空间内增加平衡重量乘积，使平衡重量乘积由原来的3.457 Kg× mm提高到4.483 Kg× mm。两组数据分别输入到 ADAMS/引擎模型中。

通过 Adams/PostProcessor后处理模块对活塞运动方向进行了测试，结果表明：活塞运动方向优化前后的振动峰值分别为376.00 N和340.33 N。优化前后最大值差异为35.67牛顿，减振效果接近10%；在垂直活塞运动方向上，通过对前后曲线峰值的对比，可以看出其减振效果接近50%，达到了良好的减振效果。但是由于空间的限制，最大平衡重无法完全平衡本实验中的转动惯性力。

（二）平衡轴优化

本文采用单轴平衡法对平衡杆进行了优化设计。单平衡轴法通常采用与发动机相反的速度恒定的方法，其目的是平衡活塞方向上的一级往复式惯性力，以及多余的平衡块在 Y方向上的离心力。然而，通过对上节的平衡重的分析，我们可以发现，因为空间等因素的限制，平衡重并不能将旋转惯性力完全平衡掉，所以，反向旋转的平衡轴反而会增大 Y轴的振动。因此，本论文从实际情况出发，提出了一种与发动机同速、同向、同速、同向的设计方案。平衡轴相对于配重属于外平衡，外平衡机构比内平衡有更大的优化空间，所以可寻求最佳的平衡轴。本文利用 ADAMS/Insight软件进行实验设计（DOE)，寻找最佳方案。

结语

综上所述，随着随机振动理论、舒适性研究方法的日趋成熟，以及计算机技术的迅速发展，将计算机技术应用于摩托车的舒适性分析预测和检测，无论在开发设计阶段还是在检验阶段，都具有准确方便的优势，在实际的开发和检测中，应该并且必将得到更加广泛的应用。

参考文献

[1]王新刚.摩托车发动机曲柄连杆机构的CAE分析2017.4

[2]张学文.乘用车油机的关键技术研究2016.3

[3]张娜.直列油机减振分析及平衡机构优化设计2016.2