摩托車發動機平衡系統研究

摘要：

我國已成為世界摩托車生產大國，發動機是摩托車的心臟，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計人員和用戶的頭疼問題。降低摩托車發動機的振動是解決摩托車振動的主要途徑，而降低發動機的振動就是要平衡掉發動機曲柄連桿機構的慣性力。平衡軸技術是摩托車發動機中應用較廣的一項技術，它的結構簡單實用，可有效地緩減摩托車的整車振動，提高駕駛的舒適性。本文對平衡軸技術原理和在摩托車上的應用做一個介紹。

前言

國內外很早開始為解決摩托車發動機的振動問題進行了大量的研究，并在很多摩托車企業進行了應用，其主要思路大致有兩類：一是真正減小發動機活塞的往復慣性力和曲柄連桿組的旋轉慣性力，二是將發動機與車架作為一個整體進行研究，盡量使發動機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。國內摩托車企業發展的早期，由于當時的摩托車排量不是很大，其發動機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，由于當時發動機幾乎是防制歐美和日本的，其振動性能較優，并且在市場上一直處于供不應求地位，所以早期國內對振動問題不是很關注，沒有進行深入研究。

隨著摩托車向高速、大排量發展，市場用戶的需求不斷提高，其振動問題就凸現出來了，許多國外摩托車企業憑借其雄厚的技術實力對其進行了深入、細致的研究，研究表明：振動是不可避免的，只能盡量使其減弱，達到人體不大察覺的程度，這樣的平衡特性就算最優。如美國著名的摩托車企業哈雷摩托，其車架與發動機連接是二點式的，它的其中一點是用橡膠塊連接，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。國內最近幾年也對摩托車振動問題投入了相當的關注，如武漢汽車工業大學就對平衡發動機和慣性力的幾種方法進行了研究。國內許多摩托車企業也利用各自的優勢加入了減振研究的行列里。如力帆集團就對125、150、175、200等數款摩托車發動機進行了改進，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。現在由于中小排量摩托車利潤空間有限，一般采用過量平衡法來對發動機合慣性力曲線進行改進，來達到減振的目的。

1.發動機的振動原理概述

在發動機的工作循環中，活塞的運動速度非常快，而且速度很不均勻。在上下止點位置，活塞的速度為零，而在上下止點中間的位置速度達到最高。由于活塞在氣缸內做反復的高速直線運動，必然在活塞、活塞銷和連桿上產生很大的慣性力。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動質量參與直線運動，另一部分參與旋轉。除了上下止點位置外，各種慣性力不能被完全平衡，使發動機產生了振動。

當活塞每上下運動一次，將使發動機產生一上一下兩次振動，所以發動機的振動頻率和發動機的轉速有關。在振動理論上，常使用多個諧波振動來描述發動機的振動，其中振動頻率和發動機轉速相同的叫一階振動，頻率是發動機轉速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.摩托車發動機平衡系統結構功能概述

發動機產生振動的原因有如下幾點：

2.1由于氣缸內氣體壓力變化，從而通過活塞連桿使曲軸上扭矩交變引起的振動。

2.2發動機工作過程中，活塞連桿作往復運動時往復慣性力得不到平衡產生的振動。

2.3氣缸內氣體壓力變動以及發動機各種旋轉件不平衡所引起的振動。

2.4發動機運動速度波動過大，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，例如采用輕質的活塞減少運動件的質量、提高曲軸的剛度、采用90度夾角的v型雙缸布置發動機等等。但在摩托車發動機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的軸，利用偏心重塊所產生的反向振動力，使發動機獲得良好的平衡，降低發動機的振動。

單平衡軸采用單一的平衡軸，利用齒輪傳動方式進行工作，通過曲軸旋轉帶動連接的平衡軸驅動齒輪→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大的一階振動，可以使發動機的振動得到明顯改善。由于單平衡軸方式結構簡單，占用的空間小，在單缸和小排量的發動機中應用較廣。

3.結論

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，應該了解摩托車產生振動的原因。究其原因：一是行駛路面不平車輪顛簸牽動整車發生振動：二是車體旋轉（如車輪）不平衡產生的振動：三是發動機本身的振動。發動機一般是通過鏈條驅動后車輪，因此它難于實現與車架的柔性連接，故發動機的振動將直接傳給車架。

發動機為一曲柄滑塊機構，發動機的平衡實際上是對曲柄滑塊機構進行平衡。本論文針對摩托車發動機單缸曲柄連桿機構和傳動機構為研究對象，對摩托車單缸發動機的過量平衡法以及在此基礎上通過系統動力學研究發動機的真實運動規律進行了研究，發動機主軸速度過大的波動，對發動機完成其工藝過程是十分有害的，它可以使發動機產生振動和噪聲，使運動副中產生過大的動負荷，從而縮短發動機的使用壽命。然而，這種波動大多又是不可避免的，因此，如何分析、計算機械系統的速度波動（也稱機械的真實運動規律），并且在設計中采用較經濟的措施將過大的波動予以調節是很有研究意義的問題。

總之，隨著隨機振動理論、舒適性研究方法的成熟及計算機的快速發展，應用計算機技術對摩托車的舒適性進行分析預測和檢測無論是在開發設計階段還是在檢驗階段都具有精確方便等優點，在實際的開發和檢測中應該而且也必將會得到更廣泛的應用。