通用小型汽油機氣缸布置方式對整機振動的影響

陸存豪，劉勝吉，李志丹

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

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

目前汽油機振動模擬計算技術已經較為成熟，在車用汽油機和摩托車汽油機振動分析中的應用已有報道［4］，但關于通用小型汽油機的振動分析及減振的文獻還很少。本研究運用Adams工程軟件進行168F汽油機的振動模擬，研究了不同氣缸布置方式對汽油機振動的影響，并通過振動試驗驗證模擬計算的可靠性。

1 168F汽油機樣機振動測試平臺

對1臺168F小型汽油機樣機進行振動試驗。按照國家標準GB／T 10398—2008《小型汽油機振動評級和測試方法》［5］要求制作了通用小型汽油機振動試驗專用試驗平臺，結構見圖1。

168F通用小型汽油機的質量為13.6kg，汽油機長185mm、寬185mm、高220mm，汽油機形心至曲軸中心線距離20mm，汽油機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成的試驗平臺質量為173kg，汽油機安裝緊固裝置約為3kg；4個支撐彈簧的彈簧剛度為37 567N／m，汽油機與試驗平臺組成了多自由度的振動系統。振動測點是在平板的X，Y軸上與平板中心對稱，測點數為4個。圖1中1，2，3，4為測點位置。每個測點裝有3方向的加速度傳感器拾取X，Y，Z3個方向上的振動信號，經過電荷放大器后振動信號接入數字示波器，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的環境下建立168F通用小型汽油機振動測試仿真模型（見圖2）。該模型完全是按照國家標準規定的振動試驗臺及測試系統建立的，平板上4個黑色的點即為測點1，2，3，4的位置。仿真結束后，在Adams軟件的后處理程序Adams／Postprocessor測量欄中選中mark1，mark2，mark3，mark4點，即測點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，再點擊Plot tracking數據處理按鈕，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 結果分析

3.1 轉速對振動的影響

首先在1 800，2 200，2 500，2 800，3 200，3 600，4 000r／min轉速下對汽油機空載運行的振動進行了測試和模擬分析，模擬計算結果與試驗結果的對比見圖3。試驗結果與計算結果變化趨勢基本一致，3 600r／min時二者最為接近，汽油機試驗當量振動烈度（Vs）為58.4mm／s，模擬計算結果為57.6mm／s，因此模擬計算有較高的可靠性。

從圖3可以看出，168F小型汽油機振動值的最低點為2 500r／min空載工況，此時當量振動烈度為47.32mm／s；當量振動烈度最大值為64mm／s，出現在4 000r／min空載工況。隨著汽油機轉速的上升，當量振動烈度先減小后增大。在怠速1 800r／min時，由于進氣量少，缸內和進氣流道溫度較低，燃油霧化質量差，導致燃燒較為惡劣，汽油機循環波動率大，氣缸壓力變化大引起汽油機振動較大。隨著汽油機轉速增大，進氣量增多，空氣流動加強，缸內溫度高，燃油霧化和油氣混合較好，燃燒穩定使得缸內最高燃燒壓力增大，循環波動減小。轉速較低時，旋轉慣性力和往復慣性力較??；超過2 500r／min時，不平衡慣性力是引起振動的主要因素，因此轉速增加，汽油機的振動也隨之加大。

168F汽油機采用過量平衡法，通過曲軸的平衡塊，在完全平衡旋轉慣性力的情況下，部分平衡往復慣性力，使Y，Z各單方向的振動振幅減小，整機振動改善，保證汽油機可靠運行。與復雜結構的單軸或雙軸完全平衡法相比，過量平衡法整機減振效果略差，但其結構緊湊、質量輕、可移動性好，目前國內外缸徑75mm以下的機型多采用過量平衡結構，平衡量值為50%左右時機器振動烈度最小。

另對168F小型汽油機的激振力F進行計算，圖4示出在3 600r／min轉速下，激振力F隨曲軸轉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隨曲軸轉角呈正弦變化規律，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整機振動烈度的影響，計算轉速為汽油機標定轉速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，從當量振動烈度的變化看，在氣缸斜置角為45°時整機振動最小，當量振動烈度為45.1mm／s，與25°斜置角相比，樣機的振動烈度減小了29.5%。斜置角為0°和90°時當量振動烈度均較大，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，使得整機在Y方向和Z方向振動速度值最優，汽油機當量振動烈度最小。

另外計算出在3 600r／min轉速、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，汽油機在垂直和水平方向上激振分力也不同。當斜置角過小時，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，使得整機振動最小。

氣缸斜置角對汽油機其他工作系統也會產生影響。比如斜置角變大，使汽油機高度加大，質心變高，采用飛濺潤滑結構的氣門罩殼內的零件潤滑可靠性需特別注意。因此在保證汽油機其他結構設計與布置合理的情況下，氣缸斜置角取值為45°左右時，汽油機振動性能較好。

4 結論

a）目前缸徑小于75mm的通用小型汽油機，整機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慣性力約50%，汽油機的振動特性低速時受缸內燃燒的循環波動影響，高速時與氣缸布置等結構設計有關；

b）在標定轉速下，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當量振動烈度低41.9%，較原機25°氣缸斜置結構整機當量振動烈度低29.5%；

c）氣缸斜置角不同，汽油機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］ 中國內燃機工業協會.2011年中國內燃機工業年鑒［M］.14版.上海：上海交通大學出版社，2011：84－87.

［2］ 廖發良，楊 宏.小型汽油機的性能改進研究［J］.重慶交通大學學報，2011，30（1）：130－135.

［3］ 萬年紅.以小型汽油機為動力的草坪修剪機的振動研究［J］.黎明職業大學學報，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］ 標準編寫組.GB／T 10398—2008 小型汽油機振動評級和測試方法［S］.北京：中國標準出版社，2009.

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