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摘要：我国已成为世界摩托车生产大国，发动机是摩托车的心脏，为摩托车提供源源不断的动力。而摩托车的振动问题一直是困扰设计人员和用户的头疼问题。降低摩托车发动机的振动是解决摩托车振动的主要途径，而降低发动机的振动就是要平衡掉发动机曲柄连杆机构的惯性力。平衡轴技术是摩托车发动机中应用较广的一项技术，它的结构简单实用，可有效地缓减摩托车的整车振动，提高驾驶的舒适性。本文对平衡轴技术原理和在摩托车上的应用做一个介绍。
关键词：摩托车；发动机；平衡
引用：
国内外很早开始为解决摩托车发动机的振动问题进行了大量的研究，并在很多摩托车企业进行了应用，其主要思路大致有两类：一是真正减小发动机活塞的往复惯性力和曲柄连杆组的旋转惯性力，二是将发动机与车架作为一个整体进行研究，尽量使发动机自身的不平衡力和力矩加在车架上使车架的振动较小，这样摩托车的舒适性就提高了。国内摩托车企业发展的早期，由于当时的摩托车排量不是很大，其发动机自身的不平衡惯性力对于车架的影响很小，对于摩托车的振动影响不是很大，而且，由于当时发动机几乎是防制欧美和日本的，其振动性能较优，并且在市场上一直处于供不应求地位，所以早期国内对振动问题不是很关注，没有进行深入研究。
随着摩托车向高速、大排量发展，市场用户的需求不断提高，其振动问题就凸现出来了，许多国外摩托车企业凭借其雄厚的技术实力对其进行了深入、细致的研究，研究表明：振动是不可避免的，只能尽量使其减弱，达到人体不大察觉的程度，这样的平衡特性就算最优。如美国著名的摩托车企业哈雷摩托，其车架与发动机连接是二点式的，它的其中一点是用橡胶块连接，而车行方向的自由度没有约束，这样人体主要感受到垂直方向的，只要把垂直方向的惯性力做小，驾驶员就不大能感觉到它的振动，减振效果很显著。国内最近几年也对摩托车振动问题投入了相当的关注，如武汉汽车工业大学就对平衡发动机和惯性力的几种方法进行了研究。国内许多摩托车企业也利用各自的优势加入了减振研究的行列里。如力帆集团就对125、150、175、200等数款摩托车发动机进行了改进，加装了单平衡轴，取得了很好的振动效果，但同时也增加了成本。现在由于中小排量摩托车利润空间有限，一般采用过量平衡法来对发动机合惯性力曲线进行改进，来达到减振的目的。
一、发动机的振动原理概述
在发动机的工作循环中，活塞的运动速度非常快，而且速度很不均匀。在上下止点位置，活塞的速度为零，而在上下止点中间的位置速度达到最高。由于活塞在气缸内做反复的高速直线运动，必然在活塞、活塞销和连杆上产生很大的惯性力。在连杆上配置的配重可以有效地平衡这些惯性力，但连杆上的配重只有一部分运动质量参与直线运动，另一部分参与旋转。除了上下止点位置外，各种惯性力不能被完全平衡，使发动机产生了振动。
当活塞每上下运动一次，将使发动机产生一上一下两次振动，所以发动机的振动频率和发动机的转速有关。在振动理论上，常使用多个谐波振动来描述发动机的振动，其中振动频率和发动机转速相同的叫一阶振动，频率是发动机转速2倍的叫二阶振动，依次类推，还存在三阶、四阶振动。但振动频率越高，振幅就越小，2阶以上可以忽略不计。其一阶动占整个振动的70%以上，是振动的主要来源。
二、摩托车发动机平衡系统结构功能概述
发动机产生振动的原因有如下几点：
2.1由于气缸内气体压力变化，从而通过活塞连杆使曲轴上扭矩交变引起的振动。
2.2发动机工作过程中，活塞连杆作往复运动时往复惯性力得不到平衡产生的振动。
2.3气缸内气体压力变动以及发动机各种旋转件不平衡所引起的振动。
2.4发动机运动速度波动过大，引起惯性力增大和扭振加剧。
为了消除振动，采用的方法有很多，例如采用轻质的活塞减少运动件的质量、提高曲轴的刚度、采用90度夹角的v型双缸布置发动机等等。但在摩托车发动机上普遍采用的方式是增加一个平衡轴来解决。平衡轴简单地说是一个装有偏心重块并随曲轴同步旋转的轴，利用偏心重块所产生的反向振动力，使发动机获得良好的平衡，降低发动机的振动。
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单平衡轴采用单一的平衡轴，利用齿轮传动方式进行工作，通过曲轴旋转带动连接的平衡轴驱动齿轮→平衡轴从动齿轮→平衡轴。单平衡可以平衡占整个振动比例相当大的一阶振动，可以使发动机的振动得到明显改善。由于单平衡轴方式结构简单，占用的空间小，在单缸和小排量的发动机中应用较广。
造成摩托车振动的原因是多种多样的，因此消除或限制摩托车振动的方法也各不相同。为了消减摩托车的振动，应该了解摩托车产生振动的原因。究其原因：一是行驶路面不平车轮颠簸牵动整车发生振动：二是车体旋转（如车轮）不平衡产生的振动：三是发动机本身的振动。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，故发动机的振动将直接传给车架。
发动机为一曲柄滑块机构，发动机的平衡实际上是对曲柄滑块机构进行平衡。本论文针对摩托车发动机单缸曲柄连杆机构和传动机构为研究对象，对摩托车单缸发动机的过量平衡法以及在此基础上通过系统动力学研究发动机的真实运动规律进行了研究，发动机主轴速度过大的波动，对发动机完成其工艺过程是十分有害的，它可以使发动机产生振动和噪声，使运动副中产生过大的动负荷，从而缩短发动机的使用寿命。然而，这种波动大多又是不可避免的，因此，如何分析、计算机械系统的速度波动（也称机械的真实运动规律），并且在设计中采用较经济的措施将过大的波动予以调节是很有研究意义的问题。
三、摩托车发动机减振优化分析
本文选取测试标定速度为3000r/min，利用ADAMS/Engine的标准界面内置的曲柄连杆机构静态分析进行惯性力的分析。
3.1 平衡重优化
对于一般的优化设计而言，优化方法是以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）为设计变量，以发动机活塞运动方向的惯性力为优化对象，利用ADAMS/View的动态优化算法来得到理想的平衡重量和平衡重质心半径。这种设计方法对于发动机的初期整体设计非常有效，但是对于发动机曲柄连杆机构平衡重的后期优化，发动机的的外形及内部结构基本固定，很难修改其尺寸。所以经过迭代得出的优化的最佳结果很大可能在实际中是无法实现的。鉴于发动机本身结构和外形等各种因素的限制，因此本文逆其道而行，从曲柄连杆的设计模型入手，尽量在不影响发动机内部和曲柄的结构参数的前提下，优化改变曲柄的外形，再分析其引起发动机活塞运动方向的惯性力振动结果，得出相对最优的平衡重量和质心半径。
理论上说，通过增加平衡重的重量或者增加平衡重质心半径，能完全平衡旋转惯性力，且还能减低活塞连杆产生的一阶往复惯性力。因此在发动机平衡重减振原理上，通常平衡重要过量配重，使其可以适当地消减一阶惯性力。
通过对现有发动机模型进行分析，目前本文分析所针对发动机现有模型的平衡重的重量和平衡重偏心距乘积为3.457kg*mm。因此对平衡重和其偏心距的乘积取下，通过分析发现现有发动机模型中平衡重还达不到完全完全平衡旋转惯性力的要求，因此本文的模型优化的方向就是要增大曲柄平衡块的质量和其偏心距。
在不影响其他部件的前提下，本文对现有模型进行了修改，在有限的空间范围内增加了平衡重的质量，将平衡重与偏心距的乘积从原有的3.457kg*mm增加到了4.483kg*mm。分别将两组数据导入ADAMS/Engine模型。
通过Adams/Post Processor后处理模块测量，活塞运动方向优化前振动峰值为376.00N，优化后振动峰值为340.33N。前后优化峰值相差35.67N，减振效果接近10%。对于垂直活塞运动方向，通过比较前后两条曲线的峰值得到减振效果接近50%，起到较好的减振效果。
但因为优化的空间有限，最大化的平衡重在本文试验中并不能完全平衡旋转惯性力。
3.2 平衡轴优化
本文在平衡轴的优化中使用单平衡轴的方法。单平衡轴法一般采用与发动机反向同速，目的在于平衡活塞方向的一阶往复惯性力和由过量平衡重产生的Y方向的离心力。但是从上节的平衡重的分析结果可知，由于空间等的限制，平衡重并不能完全平衡掉旋转惯性力，因此，反向旋转的平衡轴反而会增大Y轴的振动。因此，根据实际情况，本文采用平衡轴与发动机同速同向的设置。平衡轴相对与平衡重属于外部平衡，在外部添加平衡机构的优化空间比内部更广，因此可以追求平衡轴的最优解。本文使用ADAMS/Insight模块的试验设计（Design of Experiments，DOE）求其最优解。
首先，本文在ADAMS/Engine模块中建立带单平衡轴的发动机虚拟模型。建立的单平衡轴模型带有双平衡块，其角度位置刚好180°相反。
以平衡块质量与质心半径乘积为设计变量，以活塞运动方向的惯性力为测量目标，在ADAMS/Insight模块中使用扫描式（sweep）试验设计，得到分析结果。根据试验优化结果，曲线存在一个最低点，就是当取第21个取值点，得到的活塞运动方向的惯性力振动最小，此时平衡轴上平衡块的质量和质心半径的乘积为4.874kg*mm。
将优化得出的平衡块质量和质心半径的乘积为4.874kg*mm导入ADAMS/Engine模型的平衡轴中，并仿真得到活塞运动方向的惯性力分析结果。对添加平衡轴的活塞方向的惯性力进行频谱分析，活塞运动方向的一阶惯性力几乎为0。因此优化后的平衡轴不仅完全平衡了发动机的旋转惯性力，还完全平衡活塞连杆的一阶往复惯性力。
基于前面的理论分析，如果完全平衡活塞方向的一阶往复惯性力，那么在垂直活塞的运动方向（即Y方向）必定是已经过量平衡。利用ADAMS/Engine模块对垂直的活塞方向的惯性力进行仿真，并与本文2.1节中仅有平衡重的优化的结果对比，显然，两次曲线的相位不同，增加的同向旋转平衡轴完全平衡旋转惯性力，同时因为过量平衡，所以产生了垂直活塞运动方向的反向惯性力，符合之前的理论推断。这种通过消减一个方向的振动，将其减少的振动转移到预定的方向，也是常用的一种减振方法。但是虽然因为转移产生了新的反向惯性力，不过相对与之前，总体的振动惯性力还是有所减低。
结束语：
总之，随着随机振动理论、舒适性研究方法的成熟及计算机的快速发展，应用计算机技术对摩托车的舒适性进行分析预测和检测无论是在开发设计阶段还是在检验阶段都具有精确方便等优点，在实际的开发和检测中应该而且也必将会得到更广泛的应用。
参考文献：
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[8]张娜.直列油机减振分析及平衡机构优化设计 2016.2
[9]赵丕欢.平衡分析及平衡机构优化设计 2017.4
论文作者:黄田养
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/8
标签：惯性力论文; 发动机论文; 活塞论文; 摩托车论文; 曲柄论文; 连杆论文; 方向论文; 《防护工程》2019年第7期论文;