摩托车发动机平衡分析与应用
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Fra Baidu bibliotek
图 １ 单缸机平衡力分解
２ 单缸机平衡原理
如 图 １所示 ，往 复 运 动 活塞 式 发 动 机 在 运转 时 ， 产生 的往 复惯性 力 是 不平衡 的 自由力 ，它 是发 动机 震动 的根源 ，为 了能够完全平衡 掉往复惯性力 Ｐ．，在 曲 柄上除 了有平衡 离 心力 的平 衡重 外 ，还要 多加 一 定 的 平衡质量使其产 生过 量 的离心力来 转移 一 阶往 复惯性 力达到减小振动 的 目的，此种方法 为过量平衡 法 。 ３ 平衡法的选择
图 ３为一阶合惯性力平衡特性 曲线发动机曲柄 连杆 组一 阶合惯 性 力 随 曲柄 转 角 变 化 的 动平 衡 实 验
收 稿 日期 ：２０１０—０１—２７ 作者简介 ：崔志辉（１９７５一），天津人 ，助理 工程师 ，主要从事汽车内外饰设计 。
· ３７ ·
应 用 与 试 验
· 机械 研 究 与应 用 ·
· 机械 研 究 与应 用 ·
应 用 与 试 验
摩 托 车 发 动 机 平衡 分 析 与应 用
崔志辉 ，纪 美娜
（１．天津 阿尔特汽车技 术有 限公 司，天津 ３０００７２；２．天津 内燃机研 究所，天津 ３００３８４）
摘 要 ：往 复惯性力会 给发动机造成震动 ，笔者通过 曲轴连杆的力 学分析和 数学模型计 算，在 曲柄壁上加过 量的平衡
Ｃｕｉ Ｚｈｉ—ｈｕｉ ．Ｊｉ Ｍｅｉ—ｎａ （１．Ｔｉａｎｊｉｎ １ＡＴ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｊｉｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｆ ｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｉｎｅｒｔｉａ ｆｏｒｃｅ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｂｙ ｄｏｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｃｏｎｎｅｃｔ ｉｎｇ ｒｏｄ ｍｅ ｃ ｈａｎｉｃａｌ ａ ｎ ａ ｌ－ ｙｓｉｓ ａ ｎ ｄ ｃａｃｕｌａｔｉｎｇ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｂａｌａｎｃｅ ｗｅｉｇｈ ｉｓ ｅｘｅｒｔｅｄ ｏｎ ｔ ｈｅ ｗａｌｌ ｏｆ ｃｒａｎｋ ｔｏ ｔｒａ ｎ ｓｆｅｒ ｔｈｅ ｒｅｃｉｐｒｏｃａ－ ｔｉｎｇ ｉｎｅｒｔｉａ ｆｏｒｃｅ，ｒｅｄｕｃｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｉｎｅｒｔｉａ ｆｏｒｃｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏ ｄ ｅｌ
在 设计 完 曲轴 连杆 部件 后 ，通 常 利用平 衡原 理来 绘制平 衡 的椭 圆曲线 图 ，如 图 ２～４所 示 。
＜ ￡ 、二）
图２ 一 、二阶合哼 性 图３ 一阶合惯性力 一 阶 力平衡特性曲线 平衡特性曲线 平 曲线力
图 ２为一 、二 阶合 惯性 力平 衡 特性 曲线 ，反 映 了 发动机曲柄连杆组合惯性力对 车机架结构的动态作 用 过程 。
１ 引 言
发动 机 的不平衡 性 有二 个含 义 ：惯 性力 系 的平 衡 性和扭 矩 （及反 扭矩 ）的均匀 性 。
因为扭 矩 不可 能绝 对平 稳 ，所 以只能力求 将扭 矩 不 均匀 度 限制 在允 许 范 围 内 ，例 如增 加 气 缸 数 、并使 发 火均 匀 以及 利用 曲轴输 出端 飞 轮 的贮 能作 用 来 改 善 由于扭矩 不 均匀 引起 的发 动 回转 不均 匀性 。此 外 ， 运用 隔振 理论 合理 设 计 发 动机 的悬 置 系统 来 吸收 扭 矩 波动 引起 的振 动 。
４ 计算示例
（１）曲柄连杆机构受力分析如图 １所示。通过 已有 １ Ｐ５２ＱＭＩ摩 托 车发 动机 零件 的 ＵＧ三维 模 型及 天平 称重 获 得 活 塞 、连 杆 、曲柄 销 等基 础 参 数 如下 ： ｍ１为活 塞组质 量 １１７．６，ｇ；ｍ２为连杆 质 量 １０４．８，ｇ；Ｌ 为连杆 大头至 小头 中心距 ６４．７４，ｍｍ；Ｌ 为 连杆 质心 至小头 中心 的距离 ２８．７６，ｍｍ；／７／， 为连 杆大 头滚 针轴 承质量 ２８，ｇ；ｍ 为 曲柄销 质量 １６５．８，ｇ；ｍｄ为 曲柄质 量 和 １９７７．７；Ｐ 为 曲 柄 质 心 到 坐 标 中 心 值 一４． ４５１４，ｍｍ；ｐ 为 曲柄 质心 到坐标 中心 Ｙ值 ０．８４５，ｍｍ； Ｐ为 曲柄 质心 回转半 径 ４．５３１；Ｒ为 曲轴 回转 半径 ２８． ９；集 中在 连杆 小头 的往 复 惯性 力 ｍ；，１４９．８４；所 以一 阶往复惯 性力 ：Ｐｉ＝ｍｊ， ２＝４３３０．３７６ｏ ９ ；集 中在 曲 柄销 处 的不 平 衡 回转 质 量 ｍ ：ｍ ＝ｍ２ｂ＋ｍ３＋ｍ ＝ ２６６．３６；曲柄 销处 的不平 衡离心 惯性 力 Ｐ ＝ｍ ·Ｒ · Ｏ ９ ＝７６９７．８０４ｏ ９：；曲柄 平 衡 块 所 产 生 的离 心 惯 性 力 Ｐ。：ｍｄ·Ｒ ·Ｏ９：＝８９６０．７４ｏ９ ；由平 衡 块 的过 量 重所 产 生 的离 心惯 性 力 ：△Ｐ ＝户一声 ＝２００３．８４·∞ ；而 △Ｐ在 轴 （设 轴为气 缸 中心线 ）上 的分力 △Ｐ ｅＯＳＯ￣
曲线 ，其表现 形式 为一鞋底 曲线 。 图 ４也为 一 阶合惯 性力平 衡特性 曲线 ，是发 动机
曲柄连杆 组运 动 的理 论 曲线 ，其 表 现 形式 为 一 椭 圆 曲线 。
根 据上述 三种 图形 的其 中一 种按 照 以下 原 则来 确 定方 案 的优 略 ：①惯 性力椭 圆 的长轴与汽缸 中心线 的夹角 是否指 向有利 于整 车吸振 的方 向；②惯 性力 的 合力 为 峰值时 的大 小 ；③ 惯 性 力椭 圆 的长 、短 轴 之 比 值 的大 小 。
重 ，来转移往复惯性 力，减小振 动 ，提 高摩托车的舒适性能。
关键词 ：往 复惯性力 ；力学分析 ；数 学模型
中图分类号 ：Ｕ４７２
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１００６—４４１４（２０１１）０１—００３７—０２
Ｂａｌａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍ ｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｅｎｇｉｎｅ
平 衡 性 差 的发 动 机 会 在支 承 上振 动 ，传 给 车架 、 车身、有损于摩托车的行使平顺性 和乘坐舒适性 、加 速 驾驶 员疲 劳 ，影 响行 车安 全 。此 外 ，声 频 （２０Ｈｚ～ ２０ｋＨｚ）内 的机 械振 动 还会 辐 射 噪声 ；振动 消 耗 能量 ， 降低发动机的总效率 ；振动还可能引起紧固连接件的 松 动 和过载 ，降低 机件 的耐久性 。因此需 要求 出不平 衡 量 随 曲轴 转 角 的变 化规 律 ，以便研 究平 衡措施 。
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图 １ 单缸机平衡力分解
２ 单缸机平衡原理
如 图 １所示 ，往 复 运 动 活塞 式 发 动 机 在 运转 时 ， 产生 的往 复惯性 力 是 不平衡 的 自由力 ，它 是发 动机 震动 的根源 ，为 了能够完全平衡 掉往复惯性力 Ｐ．，在 曲 柄上除 了有平衡 离 心力 的平 衡重 外 ，还要 多加 一 定 的 平衡质量使其产 生过 量 的离心力来 转移 一 阶往 复惯性 力达到减小振动 的 目的，此种方法 为过量平衡 法 。 ３ 平衡法的选择
图 ３为一阶合惯性力平衡特性 曲线发动机曲柄 连杆 组一 阶合惯 性 力 随 曲柄 转 角 变 化 的 动平 衡 实 验
收 稿 日期 ：２０１０—０１—２７ 作者简介 ：崔志辉（１９７５一），天津人 ，助理 工程师 ，主要从事汽车内外饰设计 。
· ３７ ·
应 用 与 试 验
· 机械 研 究 与应 用 ·
· 机械 研 究 与应 用 ·
应 用 与 试 验
摩 托 车 发 动 机 平衡 分 析 与应 用
崔志辉 ，纪 美娜
（１．天津 阿尔特汽车技 术有 限公 司，天津 ３０００７２；２．天津 内燃机研 究所，天津 ３００３８４）
摘 要 ：往 复惯性力会 给发动机造成震动 ，笔者通过 曲轴连杆的力 学分析和 数学模型计 算，在 曲柄壁上加过 量的平衡
Ｃｕｉ Ｚｈｉ—ｈｕｉ ．Ｊｉ Ｍｅｉ—ｎａ （１．Ｔｉａｎｊｉｎ １ＡＴ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｉａｎｊｉｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｉａｎｆ ｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｉｎｅｒｔｉａ ｆｏｒｃｅ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｂｙ ｄｏｉｎｇ ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｃｏｎｎｅｃｔ ｉｎｇ ｒｏｄ ｍｅ ｃ ｈａｎｉｃａｌ ａ ｎ ａ ｌ－ ｙｓｉｓ ａ ｎ ｄ ｃａｃｕｌａｔｉｎｇ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｂａｌａｎｃｅ ｗｅｉｇｈ ｉｓ ｅｘｅｒｔｅｄ ｏｎ ｔ ｈｅ ｗａｌｌ ｏｆ ｃｒａｎｋ ｔｏ ｔｒａ ｎ ｓｆｅｒ ｔｈｅ ｒｅｃｉｐｒｏｃａ－ ｔｉｎｇ ｉｎｅｒｔｉａ ｆｏｒｃｅ，ｒｅｄｕｃｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｃｙｃｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ ｉｎｅｒｔｉａ ｆｏｒｃｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏ ｄ ｅｌ
在 设计 完 曲轴 连杆 部件 后 ，通 常 利用平 衡原 理来 绘制平 衡 的椭 圆曲线 图 ，如 图 ２～４所 示 。
＜ ￡ 、二）
图２ 一 、二阶合哼 性 图３ 一阶合惯性力 一 阶 力平衡特性曲线 平衡特性曲线 平 曲线力
图 ２为一 、二 阶合 惯性 力平 衡 特性 曲线 ，反 映 了 发动机曲柄连杆组合惯性力对 车机架结构的动态作 用 过程 。
１ 引 言
发动 机 的不平衡 性 有二 个含 义 ：惯 性力 系 的平 衡 性和扭 矩 （及反 扭矩 ）的均匀 性 。
因为扭 矩 不可 能绝 对平 稳 ，所 以只能力求 将扭 矩 不 均匀 度 限制 在允 许 范 围 内 ，例 如增 加 气 缸 数 、并使 发 火均 匀 以及 利用 曲轴输 出端 飞 轮 的贮 能作 用 来 改 善 由于扭矩 不 均匀 引起 的发 动 回转 不均 匀性 。此 外 ， 运用 隔振 理论 合理 设 计 发 动机 的悬 置 系统 来 吸收 扭 矩 波动 引起 的振 动 。
４ 计算示例
（１）曲柄连杆机构受力分析如图 １所示。通过 已有 １ Ｐ５２ＱＭＩ摩 托 车发 动机 零件 的 ＵＧ三维 模 型及 天平 称重 获 得 活 塞 、连 杆 、曲柄 销 等基 础 参 数 如下 ： ｍ１为活 塞组质 量 １１７．６，ｇ；ｍ２为连杆 质 量 １０４．８，ｇ；Ｌ 为连杆 大头至 小头 中心距 ６４．７４，ｍｍ；Ｌ 为 连杆 质心 至小头 中心 的距离 ２８．７６，ｍｍ；／７／， 为连 杆大 头滚 针轴 承质量 ２８，ｇ；ｍ 为 曲柄销 质量 １６５．８，ｇ；ｍｄ为 曲柄质 量 和 １９７７．７；Ｐ 为 曲 柄 质 心 到 坐 标 中 心 值 一４． ４５１４，ｍｍ；ｐ 为 曲柄 质心 到坐标 中心 Ｙ值 ０．８４５，ｍｍ； Ｐ为 曲柄 质心 回转半 径 ４．５３１；Ｒ为 曲轴 回转 半径 ２８． ９；集 中在 连杆 小头 的往 复 惯性 力 ｍ；，１４９．８４；所 以一 阶往复惯 性力 ：Ｐｉ＝ｍｊ， ２＝４３３０．３７６ｏ ９ ；集 中在 曲 柄销 处 的不 平 衡 回转 质 量 ｍ ：ｍ ＝ｍ２ｂ＋ｍ３＋ｍ ＝ ２６６．３６；曲柄 销处 的不平 衡离心 惯性 力 Ｐ ＝ｍ ·Ｒ · Ｏ ９ ＝７６９７．８０４ｏ ９：；曲柄 平 衡 块 所 产 生 的离 心 惯 性 力 Ｐ。：ｍｄ·Ｒ ·Ｏ９：＝８９６０．７４ｏ９ ；由平 衡 块 的过 量 重所 产 生 的离 心惯 性 力 ：△Ｐ ＝户一声 ＝２００３．８４·∞ ；而 △Ｐ在 轴 （设 轴为气 缸 中心线 ）上 的分力 △Ｐ ｅＯＳＯ￣
曲线 ，其表现 形式 为一鞋底 曲线 。 图 ４也为 一 阶合惯 性力平 衡特性 曲线 ，是发 动机
曲柄连杆 组运 动 的理 论 曲线 ，其 表 现 形式 为 一 椭 圆 曲线 。
根 据上述 三种 图形 的其 中一 种按 照 以下 原 则来 确 定方 案 的优 略 ：①惯 性力椭 圆 的长轴与汽缸 中心线 的夹角 是否指 向有利 于整 车吸振 的方 向；②惯 性力 的 合力 为 峰值时 的大 小 ；③ 惯 性 力椭 圆 的长 、短 轴 之 比 值 的大 小 。
重 ，来转移往复惯性 力，减小振 动 ，提 高摩托车的舒适性能。
关键词 ：往 复惯性力 ；力学分析 ；数 学模型
中图分类号 ：Ｕ４７２
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１００６—４４１４（２０１１）０１—００３７—０２
Ｂａｌａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍ ｏｔｏｒｃｙｃｌｅ ｅｎｇｉｎｅ
平 衡 性 差 的发 动 机 会 在支 承 上振 动 ，传 给 车架 、 车身、有损于摩托车的行使平顺性 和乘坐舒适性 、加 速 驾驶 员疲 劳 ，影 响行 车安 全 。此 外 ，声 频 （２０Ｈｚ～ ２０ｋＨｚ）内 的机 械振 动 还会 辐 射 噪声 ；振动 消 耗 能量 ， 降低发动机的总效率 ；振动还可能引起紧固连接件的 松 动 和过载 ，降低 机件 的耐久性 。因此需 要求 出不平 衡 量 随 曲轴 转 角 的变 化规 律 ，以便研 究平 衡措施 。