（机械设计及理论专业论文）摩托车发动机动力学综合平衡研究.pdf

中文摘要 摘要 我国摩托车行业已有2 0 多年的发展历史。从2 0 0 2 年开始，我国已成为世界 第一摩托车生产大国。然而，我国却不是摩托车生产强国。我国摩托车产品与世 界知名摩托车企业的产品相比，舒适性和性能总是不尽人意。特别是摩托车振动 问题是我国摩托车设计、制造未能很好解决的问题。 采用平衡轴虽是目前解决摩托车振动问题的一个有效方法，但附加平衡轴会 较大地增加制造成本。摩托车的振动问题，普遍发生在单缸无平衡轴发动机，这 类发动机在市场的占有率最大。因此，探讨单缸无平衡轴发动机的振动问题，对 指导摩托车发动机的设计和改造现有产品均具有理论意义和工程价值。 本文从摩托车的振动源发动机入手，基于机械系统动力学理论，将发动 机示功曲线压力作为输入激励，对摩托车动力学综合平衡问题进行了深入细致地 研究。针对非正常燃烧对发动机振动的影响，本文首次提出了解决摩托车振动问 题的综合平衡方法，将其应用到工程实践，取得了好的效果。研究工作主要包括 以下内容： 针对工程实践中出现的摩托车振动问题，找出了导致其振动的原因。根据 厂家提供的资料，对摩托车发动机示功数据进行分析，发现在燃烧过程中发动机 气缸气体压力变化规律异常，发动机存在非正常燃烧现象，摩托车发生了非正常 燃烧振动。 对摩托车发动机的非正常燃烧振动问题进行了深入研究，建立了一套摩托 车非正常燃烧振动的分析方法和手段： 1 ) 基于机械系统动力学理论，对非正常燃烧情况下发动机系统的真实运动规 律进行了分析。由于发动机非正常燃烧时气缸气体压力波动较大，发动机曲柄连 杆系统的运动规律发生了改变。本文基于机械系统动力学理论，将发动机燃气力 作为输入激励，分析了非正常燃烧情况下发动机的真实运动规律。 2 ) 基于系统真实运动规律，对非正常燃烧情况下摩托车发动机的平衡特性做 了细致研究。非正常燃烧时，由于发动机曲柄连杆系统运动规律的改变，导致发 动机惯性力发生了相应的变化。本文基于非正常燃烧时系统的真实运动规律，对 发动机曲柄连杆组的惯性力进行了研究，导出了非正常燃烧时发动机的惯性力变 化曲线。 3 ) 对非正常燃烧时发动机的倾覆力矩变化规律进行了研究。非正常燃烧时， 发动机气缸气体压力的异常变化直接导致了发动机倾覆力矩的明显改变。本文对 非正常燃烧时的发动机倾覆力矩进行了分析计算，得出了非正常燃烧情况下发动 重庆火学硕士学佗论文 机倾覆力矩的变化规律。 分析了非正常燃烧对发动机振动的影响。通过对正常燃烧和非正常燃烧时 摩托车发动机平衡特性和倾覆力矩的比较，得出了非正常燃烧是导致发动机振动 的重要原因之一的结论。 基于以上研究的基础，针对非正常燃烧对发动机振动的影响，本文首次提 出了解决摩托车振动问题的综合平衡方法：通过调整发动机的点火提前角和取适 当的压缩比使发动机柔和燃烧，在此前提下结合车架特征进行曲柄连杆组平衡， 可以很好地解决摩托车的振动问题。 经过以上对发动机振动问题的分析，本文开发出了摩托车发动机动力学综 合平衡研究的分析软件系统。 将本文的理论和方法应用到解决y g l 5 0 摩托车振动的工程实践中。通过 调整发动机的燃烧情况，再结合良好的车架特性，该车的振动问题得到了解决。 关键词：摩托车发动机，机械系统动力学，综合平衡 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h em o t o r c y c l ei n d u s t r yh a sd e v e l o p e df o rm o r et h a n2 0y e a r si nc h i n & s i n c e 2 0 0 2 ，o u rc o u n t r yh a sb e c o m et h eb i g g e s tp r o d u c e ro fm o t o r c y c l e si nt h ew o r l d h o w e v e r , o u t c o u n t r yi sn o tap o w e r f u lm o t o r c y c l ep r o d u c e r c o m p a r e dw i t h m o t o r c y c l e si n g l ei nt h ew o r l d - k n o w ne n t e r p r i s e , o o rm o t o r c y c l ei s n ts a t i s f y i n gi n c o m f o r ta n dp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l ym o t o r c y c l ev i b r a t i o nh a s h tb e e nw e l ls o l v e di n m o t o r c y c l ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ni sv a l i dt 0a d o p tb a l a n c e ds h a f tt os o l v et h em o t o r c y c l ev i b r a t i o nc u r r e n t l y , b u t t h eb a l a n c e ds h a f tw i l l g r e a t l yi n c r e a s e t h em a n u f a c t u r i n gc o s t t h ev i b r a t i o no f m o t o r c y c l eo f t e no c c l l r si nt h es i n 舀e - c y l i n d e re n g i n ew i t h o u tb a l a n c e rs h a r , w h i c hh a s t h eb i g g e s tm a r k e ts h a r e s o ，i ti sv a l u a b l et op r o b ei n t ot h ev i b r a t i o no ft h ee n g i n e w i t h o u tb a l a n c e ds h a f tt od i r c c tt h ee n g i n ed e s i g na n dt r a n s f o r mt h ee x i s t i n gp r o d u c t i o n t h ea r t i c l e , b a s e do nt h et h e o r yo fm e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c s b e g i n s 耐也t h e t h r o u g hv i b r a t i o ns o u r c o - - - m o t o re n g i n e , c o m b i n i n gt h e c o m b u s t i o np r o c e s so f m o t o r c y c l ee n g i n e a n dt h es t u d yo f s y n t h e t i c a lb a l a n c eo f m o t o r c y c l ee n g i n ei sc a r r i e d o u t t h em e t h o dt os o l v et h em o t o r c y c l ev i b r a t i o ni sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e a t l a s tt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o np r o v e se f f e c t i v ei ns o l v i n gt h ev i b r a t i o np r o b l e m t h e s t u d ym a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k a i mt os o l v et h em o t o r c y c l ev i b r a t i o np r o b l e mi ne n g i n e e r i n gf u l f i l l m e n t , a n d f i n do u tt h en 确s o nf o rc a u s i n gv i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed a t at h ef a c t o r yp r o v i d e s t h e d y n a m o m e t e rc a r da n a l y s i si s c a r r i e do u to nt h em o t o r c y c l ee n g i n e ，t od i s c o v e rt h e a b n o r m a lv a r i a t i o no fc y l i n d e r g a sp r e s s u r e ) a n dt h ea b n o r m a l c o m b u s t i o no f m o t o r c y c l ee n g i n e , s ot h em o t o r c y c l eh a st h ea b n o r m a lc o m b u s t i o nv i b r a t i o n d ot h et h o r o u g hr e s e a r c ho nt h ea b n o r m a lc o m b u s t i o nv i b r a t i o n , a n db u i l tu pa s e to f a n a l y s i sm e t h o da n dm e a n so f i t 1 ) b a s e do nt h et h e o r yo fm e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c s ，t h es t u d ya n a l y z e st h e m o t i o nv a r i a t i o no fe n g m eu n d e rt h ea b n o r m a lc o m b u s t i o n t h ef l u c t u a t i o no fc y l i n d e r g a sp r e s s u r eu n d e r t h ea b n o r m a lc o m b u s t i o nm a k e st h em o t i o no f c r s n k s h a f lc o n n e c t i n g r o ds y s t e mc h a n g e t h ea r t i c l e , b a s e do nt h et h e o r yo f m e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c sa n d t h ec o m b u s t i o nf o r c ea si n p u te x c i t a t i o n s ，a n a l y z e st h em o t i o nv a r i a t i o no ft h ee n g i n e u n d e rt h ea b n o r m a lc o m b u s t i o n 2 ) b a s e do i lt h er e a lm o t i o nl a wo fe n g i n e , t h er e s e a r c hi sd o n eo nt h ee q u i l i b r i u m i l i 重庆大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c si nt h ec 嬲eo f a b n o r m a lc o m b u s t i o n a st h ee n g m ec o m b u s t sa b n o r m a l l y , b e c a u s eo f t h ec h a n g eo f t h em o t i o n1 a wo f c r a n k s h a f tc o n n e c t i n gr o ds y s t e m , t h ei n e r t i a f o r c ec h a n g e sc o r r e s p o n d i n g l y t h i sr e s e a r c h , b a s e do nt h er e a lm o t i o nl a w o f e n g i n e ，i s d o n eo nt h ei n e r t i af o r c eo fe n g i n et oe d u c et h ec u r v eo fe q u i l i b r i u mc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o t o r c y c l ee n g i n eu n d e r 也e a b n o r m a lc o m b u s t i o n 3 ) d or e s e a r c ho nt h ev a r i a t i o n so fo v e r t u m i n gm o m e n to fm o t o r c y c l ee n g i n ei n t h ec a s eo fa b n o r m a lc o m b u s t i o n a st h ee n g i n ec o m b u s t sa b n o r m a l l y , t h ea b n o r m a l c h a n g eo fc y l i n d e rg a sp r e s s u r ec a u s e st h eo b v i o u sc h a n g eo fo v m u m i n gm o m e n to f m o t o r c y c l e 1 1 1 i sa r t i c l ea n a l y z e st h eo v e r t u r n i n gm o m e n to ft h ea b n o r m a lc o m b u s t i o n , a n de d u c e st h ec h a n g i n gl a wo ft h eo v e r t u r n i n gm o m e n tu n d e rt h ea b n o r m a l c o m b u s t i c 吐 ma n a l y s i so fa b n o r m a lc o m b u s t i o no nt h ee n g i n ev i b r a t i o ni sd o n et o c o m p a r ee q u i l i b r i u mc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eo v c r m m i n gm o m e n tu n d e rn o r m a la n d a b n o r m a lc o m b u s t i o mn 峙r e s u l ts h o w st h ea b n o r m a lc o m b u s t i o nh a sa ni n f l u e n c eo n e n g i n ev i b r a t i o n b a s e do nt h eh e r e i n b e f o r er e s e a r c h , t h i sa r t i c l e , a i m i n ga tt h ei n f l u e n c eo n m o t o r c y c l ee n g i n e v i b r a t i o nu n d e rt h ea b n o r m a lc o m b u s t i o n , p u t sf o r w a r dt h e s y n t h e t i c a lb a l a n c em e t h o dt os o l v et h ev i b r a t i o np r o b l e mf o rt h ef i r s tt i m e t h a ti s ， m a k et h em o t o r c y c l ee n g i n ec o m b u s tn o r m a l l yb ya d j u s t i n gt h ei g n i t i o na d v a n c ea n g l e a n dc o m p r e s s i o nr a t i o ，a n dc o m b i n e 丘 a m ec h a r a c t e r i s t i cm a k i n gb a l a n c et ot h e c r a n k s h a f tc o n n e c t i n gr o ds y s t e m t h u st h ep r o b l e mo f m o t o r c y c l ee n g i n ev i b r a t i o nc a n b ew e l ls o l v e d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r 血t h ea n a l y s i ss o f t w a r ei se x p l o r e di nt h i sa r t i c l e , t h a ti s 。t h es y n t h e t i c a lb a l a n c es t u d yo fm o t o r c y c l ee n g i n eb a s e d m e c h a n i c a l s y s t e md y n a m i c s p u tt h et h e o r ya n dm e t h o di nt h ea r t i c l et os o l v et h ey g l 5 0m o t o r c y c l e v i b r a t i o n b ya d j u s t i n gt h ei g n i t i o na d v a n c ea n g l ea n dc o m p r e s s i o nr a t i o ，a n dc o m b i n e g o o df 1 a m ec h a r a c t e r i s t i c t h ea p p l i c a t i o np r o v e se f f e c t i v ei ns o l v i n gt h ep r o b l e m k e yw o r d s ：m o t o r c y c l ee n g i n e ，m e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c s ，s y n t h e t i c a lb a l a n c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刍寺孚 签字日期：沏7 r 年5 月。a 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽盍堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：盏带 签字日期：0 刀1 r 年f 月0 0 日 导师签名：粤淑 签字日期：扫矽年j 月2 2 日 1 绪论 l 绪论 1 1 课题提出的背景 1 1 1 我国摩托车研究历史与发展现状 自从1 8 8 5 年德国工程师戈特利布戴姆勒和梅巴茨发明了世界上第一辆摩托 车以来，摩托车已经历了1 0 0 多年的发展。当时的摩托车发动机为单缸，排量为 2 6 4 m l ，转速为7 0 0 r m i n ，功率为0 3 7 k w ，升功率为1 4 k w l ，性能水平是相当 低的。随着经济的飞速发展和科学技术的不断进步，摩托车发动机的技术已得到 了突飞猛进的发展。大量的新技术、新材料、新工艺应用于摩托车发动机上，使 摩托车发动机的各项性能得到了很大的提高。 从嘉陵集团制造出第一辆民用摩托车开始，我国的摩托车产业已有2 0 多年的 发展历史了。特别是改革开放以来，我国的摩托车工业更是以惊人的速度飞速发 展。1 9 8 0 年，我国摩托车年产量仅为5 万辆左右，到了1 9 9 9 年至2 0 0 1 年期间， 我国摩托车年产量均超过1 0 0 0 万辆。2 0 0 2 年，我国摩托车产量达到1 3 0 0 万辆， 超过全球摩托车总产量的5 0 ，占据了全球摩托车产量的半壁江山。从此我国稳 居世界第一摩托车生产大国的地位。虽然我国摩托车产量位居世界第一，且年年 增长，但事实上，我国并不是摩托车生产强国。为什么这么说呢? 我国摩托车工业与国外企业相比，在工业结构、生产水平、开放能力和质量 管理等方面存在很大差距： 从产业结构来看，我国摩托车工业集中度低，专业化水平差，特别是零部 件企业，生产工艺落后，产品质量不高、经济效益低下，与国外先进水平相比差 距较大； 从产品结构来看，我国摩托车品种较少，主要品种集中在小排量摩托车上， 大排量的车种很少，而大排量摩托车在国际市场上属于高端利润产品，这就导致 了我国摩托车企业利润低； 我国摩托车款式大多仿国外畅销产品，自主研发的产品非常少。国外摩托 车发动机及其他主要部件采用了许多新技术，如多气门技术、a r 活性燃烧技术等。 虽然我国摩托车行业自2 0 世纪9 0 年代中期以来加快了技术引进步伐，但仅在少 量车型上使用。 以上众多因素导致我国摩托车在产品水平上与国外产品存在较大差距，特别 是在舒适安全性和可靠性以及排量方面，我国的产品水平和国外产品的差距很大。 技术上的不足加上国内摩托车市场的激烈竞争，导致了我国摩托车行业利润 逐年下降，以至于2 0 0 1 年我国摩托车全行业出现亏损。所以我国摩托车企业要发 重庆大学硕士学位论文 展就必须从追求数量占有市场过渡到以质量在竞争中寻求发展。不仅要从外观上 不断地进行设计、创新，设计出人们喜欢的车型，而且还应根据人们对摩托车的 性能质量、时尚追求等方面的需求不断地开发出性能优良的摩托车，使摩托车成 为人们生活的一种时尚，而不仅仅是代步工具。 摩托车的舒适性是摩托车走向市场的关键之处。发动机是摩托车的1 心脏”，发 动机的性能从很大程度上决定着摩托车的动力性能及其振动特性。所以解决好摩 托车发动机的性能问题是摩托车企业走向成熟的关键所在。然而，我国发动机的 制造和设计能力并不让人满意，据韩国产业资源部在日本、中国、韩国发动机方 面的竞争力分析得出如下结论：在发动机制造方面，与日本相比，韩国目前处于 劣势，但到2 0 0 5 年将超过日本。与中国相比，韩国目前在技术上存在优势，双方 有7 年的差距，到2 0 1 0 年虽然仍只有5 年的差距，但是激烈竞争将不可避免。所 以我国摩托车行业提高和改善摩托车发动机的性能问题迫在眉睫。 由于我国摩托车最初走的是仿制或合资这一路线，所以没有对其中许多关键 技术进行深入仔细的研究。我国摩托车行业早期，发动机几乎是对国外摩托车发 动机进行仿制，测绘而来。后来，我国摩托车行业开始采用对最初仿制的发动机 进行扩缸这一路线来发展发动机系列，其主要从气缸上进行修正，没有从系统角 度对发动机进行设计，所以我国摩托车产品与世界知名摩托车企业的产品相比， 舒适性和功能总是不尽人意。 日本摩托车工业也经历了从仿制到自主开发创新的过程，而成为当今世界摩 托车高新技术的代表。我国摩托车工业现在处于后仿制阶段，必须尽快走向自主 开发创新，j 直过摩托车企业与高校、科研院所的紧密合作，建立多层次的产品开 发体系和高水平的摩托车共性技术研究、试验、开发平台。这不仅是世界摩托车 技术先进国家的成功经验，也是我国摩托车工业走向自主创新开发的必由之路。 我国现有摩托车整车生产企业有几百家，零部件生产企业千余家，摩托车发动机 性能的提高方案的研究有迫切的市场需求和广阔的推广应用前景。 现在中国已经加入了世界贸易组织，在知识产权保护下，仿造技术这种途径 已被限制了。同时，国外产品将大举进入国内市场，使本来已经过度竞争的国内 市场竞争更加激烈。这就更需要有自己的技术，才能在国际化竞争中生存和发展。 现在各摩托车企业都在致力于开发自主知识产权技术，提高自身的竞争能力。因 此，无论从时代要求还是企业自身利益来看，提高摩托车发动机技术水平都是非 常重要的。 1 1 2 现代摩托车发展遇到的振动问题 摩托车行业发展的早期，由于摩托车排量不大，其振动问题表现得并不明显。 但是，随着摩托车发动机转速及功率的提高，摩托车的振动问题变得越来越突出。 2 1 绪论 摩托车的振动不仅降低机体零部件的寿命和强度，产生噪声，而且影响产品的舒 适性。随着人们对摩托车性能要求的不断提高，振动问题成为了提高摩托车综合 性能必须要解决的一个关键问题。 要解决摩托车的振动问题，我们首先必须搞清楚摩托车产生振动的原因。摩 托车振动的砑究结果表明。摩托车产生振动的原因主要有三方面： 由于行驶路面不平，车轮颠簸使车身发生振动； 车体旋转件( 如车轮) 不平衡发生的振动； 摩托车发动机自身的振动传递到车身引起振动。 其中，路面问题不属于本学科的研究范畴。摩托车发动机一般是通过链条驱 动后车轮，因此，它难于实现与车架的柔性连接，故发动机自身的振动将直接传 递给车架，引起摩托车车架振动。所以，摩托车振动问题的解决可以从两方面着 手。一方面从摩托车车架着手，通过改变车架的振动性能来改善摩托车的振动情 况。另一方面，直接从摩托车的振动源摩托车发动机着手。通过控制振动源 达到改善摩托车振动的需求。根据研究情况，本文直接从振动源出发来解决摩托 车整车振动问题。 摩托车发动机产生振动的原因，主要有以下几点： 由于气缸内气体压力变化，通过曲柄连杆机构使曲柄上扭矩交变引起振 动； 发动机工作过程中，曲柄连杆机构作往复运动时产生的往复不平衡惯性力 和惯性力矩引起振动； 气缸内气体压力变动以及发动机上各种旋转件不平衡引起振动； 发动机运动速度波动过大引起惯性力和扭振加剧。 1 2 国内外摩托车发动机振动研究综述 国外对摩托车的振动问题认识较早，已经开展了长期的研究，无论是在摩托 车振动试验设备还是在试验数据积累方面都远比国内成熟。国内摩托车行业发展 的早期，由于当时摩托车排量不大，而且摩托车发动机几乎是仿制国外的，摩托 车发动机的振动问题不是很突出，所以国内早期大部分企业没有对摩托车振动问 题进行深入研究。国外早期发动机对不平衡惯性力的平衡措旌是在曲柄上加不 平衡质量，这样可以平衡掉曲柄连杆机构所产生的惯性力。日本摩托车企业对这 种平衡方法很有研究，将发动机、车架和整车作为一系统进行研究，对不平衡质 量的分配进行计算，用有限元分析处理，本田的低排量发动机就是用这种方法。 随着摩托车技术的发展，发动机的转速及功率不断提高，摩托车振动问题也 变得越来越突出。不平衡质量分配法已不能满足摩托车发展的要求。因此，国外 3 重庆大学硕士学位论文 许多企业凭借其雄厚的技术实力在这方面进行了大量研究和试验。研究表明：振 动是不可避免的，只能尽量使其减弱，达到人体不易察觉的程度，这样的平衡特 性就算是最优的。其中，日本本田摩托企业将发动机与车架进行二点连接，而其 中一点用橡胶套筒进行连接，这样发动机振动对整车影响不大。美国著名的哈雷 摩托，其车架与发动机也是二点连接，但其中一点用橡胶块连接，而车行方向的 自由度没有约束，这样人体主要感受垂直方向的惯性力，只要把垂直惯性力做小， 减振效果很显著。 随着社会的发展，人们对发动机的要求越来越高，发动机不平衡惯性力也越 来越大，其产生的振动已不可能简单的由曲柄的不平衡质量惯性力来平衡了。因 此，摩托车发动机就发展为两个方向：一是v 型双缸发动机，另一类是带平衡轴 的发动机。v 型双缸发动机利用两缸发动机的角度，使发动机曲柄连杆和活塞所 产生的惯性力相互平衡。这种类型的发动机排量大，但是形状也很大，多应用在 高速赛车上。 带平衡轴的发动机，其振动性能很好。平衡法主要有：单轴平衡法。单轴 平衡法能完全平衡发动机曲柄连杆机构的一阶惯性力；双轴平衡法。从理论上 来说，双轴平衡法不仅能平衡掉发动机的一阶惯性力，而且还能平衡掉二阶惯性 力，同时还不产生附加力矩，但这样设计出来的发动机很大，对摩托车的轻便性， 通过性强等特点是一种阻碍，所以在摩托车企业应用不是很广泛，一般只用于大 排量的赛车。过量平衡法或转移法。过量平衡法只平衡往复质量的一部分。国 内首家在摩托车发动机上应用一轴式平衡的摩托车企业是重庆建设雅马哈摩托车 有限责任公司。从1 9 9 4 年雅马哈公司就已经开始了国内带平衡轴发动机的摩托车 生产，如s r l 5 0 ，s r z l 5 0 ，s r v 2 0 0 等车型。但由于其是合资企业，其大多数技术 都是雅马哈的技术。国内自行设计带平衡轴的摩托车发动机的企业是重庆嘉陵集 团。 1 3 课题研究的意义 综上所述，平衡法是目前解决摩托车单缸发动机振动问题的一个有效方法。 但附加平衡轴会较大地增加制造成本。在当前摩托车行业竞争激烈，利润薄弱的 情况下，该方法只被少数高档车型采用。摩托车的振动问题，普遍发生在单缸无 平衡轴发动机，这类发动机在市场的占有率最大。因此，探讨单缸无平衡轴发动 机的振动问题，对指导摩托车的发动机设计和改造现有产品均具有理论意义和工 程价值。 本文基于机械系统动力学基本理论，以发动机的燃烧示功图作为输入激励， 将引起摩托车发动机振动的根本原因发动机惯性力和倾覆力矩作为主要研究 4 i 绪论 对象，通过对发动机平衡特性和倾覆力矩的研究，发现了非正常燃烧对发动机振 动的影响。在理论分析的基础上，本文针对非正常燃烧对发动机振动的影响，首 次提出了解决摩托车振动问题的综合平衡方法，将其应用到工程实践，取得了很 好的效果。 1 4 本文的研究内容 本文主要研究和解决摩托车发动机的非正常燃烧振动问题。非正常燃烧情况 下由于气缸气体压力变化异常，发动机曲柄连杆系统的真实运动规律较正常燃烧 时发生了改变。所以，本文首先基于机械系统动力学理论，以摩托车发动机示功 曲线压力值为输入激励，得出发动机曲柄连杆系统在非正常燃烧情况下的真实运 动规律。然后对非正常燃烧的真实运动规律下，发动机惯性力和倾覆力矩进行分 析。将其与正常燃烧情况的惯性力和倾覆力矩规律进行比较分析，找出非正常燃 烧对发动机振动的影响。基于以上理论分析找到解决摩托车非正常燃烧振动的有 效方法。 本文主要研究内容如下： 非正常燃烧情况下，系统真实运动规律求解。为了求得摩托车发动机非正 常燃烧情况下的真实运动规律，本文视曲柄为发动机曲柄连杆组及传动部分的等 效构件，将发动机非正常燃烧时的燃烧力( 示功曲线值) 作为输入激励，利用机 械系统动力学基本理论求得在非正常燃烧情况下发动机的真实运动规律。 基于系统非正常燃烧真实运动规律的摩托车发动机平衡特性分析。基于系 统非正常燃烧时的真实运动规律，对发动机曲柄连杆组工作过程的惯性力进行分 析和计算，得出非正常燃烧时的发动机平衡特性。 非正常燃烧情况下发动机倾覆力矩的分析计算。对发动机非正常燃烧时的 倾覆力矩进行分析计算，得出非正常燃烧情况下发动机的倾覆力矩变化曲线。 通过比较分析，得出非正常燃烧对摩托车发动机振动的影响。在其他参数 相同的条件下，将正常燃烧与非正常燃烧时的发动机平衡特性和倾覆力矩变化曲 线进行比较分析，得出非正常燃烧对发动机振动的影响。 在以上理论分析的基础上，找出解决摩托车非正常燃烧振动的有效方法： 通过调整发动机的点火提前角和压缩比可以很好地解决发动机非正常燃烧振动问 题。 摩托车发动机动力学综合平衡研究c a d 软件开发研究。以理论分析为基 础，利用现代计算机技术，开发摩托车发动机动力学综合平衡研究c a d 的软件， 使该理论的应用更简单更方便。 重庆大学硕士学位论文 将本文的理论和方法用于解决y g l 5 0 摩托车的振动问题，实验取得了令 人满意的效果 6 2 摩托车发动机工作原理及基本构造简介 2 摩托车发动机工作原理及基本构造简介 2 1 摩托车发动机的工作原理 摩托车的发动机均是内燃机，其燃料是汽油。它是将燃料在气缸内燃烧后产 生的化学能( 热能) 转变为机械功。它采用汽化器装置使空气和汽油形成的可燃混合 气充人气缸内。当混合气被活塞压缩到一定程度时，气缸内的火花塞电极间产生 火花，将已被压缩的混合气点燃。这时燃烧的气体迅速膨胀产生很高的压力，推 动活塞连杆作住复运动，通过曲柄连杆机构使曲轴旋转。再将发动机的动力经传 动装置传给车轮，变为车辆行驶的动力。 摩托车发动机剖视图如图2 1 所示： 图2 1 单缸摩托车发动机剖视图 f i g2 1m o t o r c y c l es i n g l e - c y l i n d e re n g i n ec u t a w a yv i e w 摩托车的发动机有单缸、双缸、三缸、四缸、五缸、六缸等。目前世界上功 率最大的摩托车是日本雅马哈摩托车制造公司生产的雅马哈v - m a x 型摩托车，它 采用水冷双顶置凸轮轴四气门四缸的发动机，排量为1 1 9 8 m l ，功率达l l o k w 。居 世界第一。 7 重庆大学硕士学位论文 1 - - 捧气门2 一进气门3 一喷油器4 一气缸 5 - - 活塞6 一活塞销7 一连杆8 一曲柄9 一气缸盖 图2 2 摩托车发动机基本概念 f i g 2 2t h ee 秘啪c o n c e p t i o no f m o t o r c y c l ee n g i n e 有关发动机的几个基本名词 1 ) 止点由于活塞是与连杆、曲轴相连的，因此，它的运动是局限于两个 极限位且之间，这两个位置均叫做止点，如图2 2 所示。 2 ) 上止点当活塞处于气缸内的一个极限位置上，而该位置到发动机曲轴 中心线的距离为最大时，叫做上止点。 3 ) 下止点当活塞处在气缸内的一个极限位置上，而该位置到发动机曲轴 中心线的距离为最小时，叫做下止点。 4 ) 活塞行程_ i 舌塞由上( 下) 止点移到下( 上) 止点的距离，称为活塞行程。每 当活塞运动一个行程，曲轴旋转半转，r 为曲柄半径。 5 ) 气缸的工作容积活塞在气缸内从上止点移到下止点所空出的空间。称 为气缸的工作容积。 6 ) 燃烧室活塞在上止点时活塞上方与气缸盖之间的空间部分叫燃烧室。 7 ) 气缸的总容积活塞在下止点时，它上方的全部空问，称为气缸总容积。 它是气缸工作容积和燃烧室容积的总和。 8 ) 压缩比气缸的总容积对燃烧室容积之比。压缩比表示工作混合气在气 缸中被活塞压缩时体积缩小的倍数。压缩比的大小，对发动机功率有很大的影响。 9 ) 工作循环活塞在气缸内依次连续工作过程( 进气、压缩、作功及排气， 使燃料的化学能转变为机械功) 的总称叫发动机的工作循环。 2 摩托车发动机工作原理及基本构造简介 1 0 ) 指示功在气缸内完成一个循环燃料对活塞所做的有用功。 i i ) 指示功率发动机单位时间所做指示功。 1 2 ) 有效功率发动机曲轴实际对外输出的功率。发动机铭牌上标用的有 效功率称为额定功率。 1 3 ) 升功率每升气缸工作容积所发出的有效功率。 1 4 ) 燃油消耗量发动机每小时消耗的燃料千克数( k g h ) 。 1 5 ) 给气比每个循环通过换气1 ：3 供给换气量，在标准状态下( p 。、t o ) 的容 积与气缸工作容积之比。 1 6 ) 正转和反转正、反转均指发动机曲轴的旋转方向。若发电机在右侧 时，从右侧看发电机转子的旋转方向，如果顺时针旋转，发动机为正转；反之为反 转。同理，若发电机在左侧时，从左侧看发电机转子旋转方向，如果是逆时针方 向旋转，发动机为正转；反之为反转。 四冲程汽油发动机的工作过程 曲轴旋转两圈，活塞上下各两次完成一个工作循环的发动机称四冲程发动机。 例如i 幸福x f l 2 5 、嘉陵本田h j 7 0 、本田c g l 2 5 、铃木g s l 2 5 等摩托车均采用四 冲程发动机。 帕避哪强御鄹l 髓铆黼煳 枷舻榭槛 l 一曲柄2 - 连杆3 一活塞4 一气缸5 一排气门6 一喷油器7 一进气门 图2 3 发动机四冲程示意图 f i g2 3f o u r - s l r o k es k e t c hm a po f e n g i n e 四冲程发动机的气缸体上，设有进、排气门，由曲轴旋转来驱动凸轮轴上进、 排气凸轮准时地打开和关闭，使可燃混合气及时进入气缸，并使燃烧后的废气及 时排出气缸，如图2 3 所示。 9 重庆大学硕士学位论文 1 ) 进气行程 曲轴旋转，活塞从上止点向下止点移动，此时进气门已打开。由于活塞的下 行，活塞上方容积增大，产生真空吸力，燃油和空气经化油器雾化混合成可燃混 合气，经进气门被吸人气缸。活塞到下止点后，进气门关闭，进气行程结束。 2 ) 压缩行程 进气行程终了时，进排气门均关闭。活塞从下止点向上止点移动，使进入气 缸的可燃混合气被压缩，活塞将到上止点时，混合气的压力可达1 4 7 0 k p a 以上，温 度可达2 5 0 3 0 0 ，为混合气体的燃烧创造了良好的条件。这一行程到上止点 结束。 3 ) 做功行程 当压缩行程活塞接近上止点时，火花塞电极间产生电火花，将被压缩的可燃 混合气点燃，燃烧的气体迅速膨胀，使气缸内的瞬时压力达2 9 4 0 k p a 4 4 1 0 k p a ， 温度达1 8 0 0 2 0 0 0 ，在高压气休的作用下，迫使活塞从上止点向下止点运动， 活塞通过连杆，将高压气体的推力传给曲轴使之旋转做功，实现热能转变为机械 能。 4 ) 排气行程 在做功行程末，活塞被推到接近下止点时，排气门打开，活塞由下止点向上 止点运动，气缸内燃烧后的废气在活塞的推动下，经排气门排出气缸，活塞到上 止点后排气门关闭，这一行程结束。 排气行程结束时，一个工作循环完成。只要曲轴连续转动，进气、压缩、做 功、排气就能周而复始地循环进行。 2 2 摩托车发动机的基本构造 不论二冲程发动机还是四冲程发动机都必须包括以下各个部分： 曲柄连杆机构一气缸内的气体压力推动活塞连杆，再由连杆推动曲轴旋转， 这样使活塞的直线往复运动变为曲轴的旋转运动，带动了后轮的旋转。 配气机构一使混合气及时吸人气缸，废气及时排出。 冷却系一是保持发动机能具有正常的工作温度。一般在摩托车采用的是散 热片空气冷却的方式。 润滑系一是在机件摩擦表面上供给润滑油，以减少机件运动时的摩擦阻力 和磨损。 燃料系一是保证按发动机的工作要求，以供给适合需要的混合气。它主要 是靠化油器来完成的。 点火系一是及时供给足够强度的电火花，以点燃气缸内的可燃混合气而产 l o 2 摩托车发动机工作原理及基本构造简介 生动力。 起动系一用来起动发动机，起动方式有惯性起动、电起动等。脚蹬起动属 于惯性起动。 2 2 1 摩托车发动机曲柄连杆机构 曲轴连杆机构是将燃料燃烧产生的热能转变为机构能的机构，它是发动机产 生动力的主要机构。它的作用是承受气体的爆炸压力，通过活塞、连杆传给曲轴， 使活塞在气缸中的往复直线运动变成曲轴的旋转运动，为摩托车提供动力。同时 活寒连杆组在曲轴和飞轮的带动下，完成进气、压缩、排气三个辅助行程，并驱 动配气机构及辅助装置。 曲轴连杆机构的主要机件有固定部分和运动部分组成，它的固定部分有：气缸 盖、气缸垫，气缸体和曲轴箱等，它的运动部分有：活寒、活塞环、活塞销、连 杆、连杆轴承、曲轴( 曲柄) 和飞轮等。这里主要介绍运动部分。 曲轴 1 一连杆2 一曲柄销3 一左曲柄 4 一右曲柄5 一侧垫6 一轴承 图2 4 曲柄示意图 f i g2 4t h es k e t c hm a po f c r a n k s h a i ! t 曲轴将连杆传来的推力变成旋转的扭转力矩并输出功率，同时带动发动机的 其他机件运转，并与飞轮一起，共同完成发动机的辅助冲程。 曲轴在工作时承受周期性变化的燃气压力、惯性力、离心力的作用；而且转 重庆大学硕士学位论文 速很高。因此要求曲轴具有较高的抗疲劳强度、刚度及韧性；要有好的平衡性， 以保证发动机的工作平稳，轴颈要耐磨。曲轴通常用高强度、冲击韧性好的中碳 钢或中碳合金钢，经模锻和调质处理，对轴颈表面通过高频淬火或氮化处理，经 精加工而成。例如南方n f l 2 5 曲轴用4 g r 或4 5 钢锻坯，进行调质处理，在轴颈及 锥体等部分进行高频淬火。对一些多缸发动机和结构复杂的曲轴，也可使用铸造 的，其成本较低，能铸造出较复杂的形状，但铸造的曲轴韧性较差。 摩托车发动机的曲轴，一般有两种结构，一种是组合式曲轴，另一种是整体 式曲轴。组合式曲轴，它主要有左曲柄、右曲柄、曲柄销等组成，而左右曲柄都有 曲柄臂和曲柄轴组成。整体式曲轴，它主要有前端轴、后端轴、主轴颈，连杆轴颈、 曲柄臂和平衡重块等组成。 连杆 ( a ) 整体式连杆大头分开式连杆 l 一小头2 一杆身3 -