广州大运摩托车有限公司
引言
发动机振动是摩托车发动机设计中必须认真分析和研究的重要问题，而发动机振动的强弱则反映出一个摩托车整体性能的优劣，同时也影响到使用中的安全性与寿命。根据当前的研究成果，摩托车发动机的振动是不可能完全消除的，因此通常情况下都是采用一些削幅或隔振措施来减小发动机的振动，从而提升发动机的性能与安全舒适性。在这一方面，我国的发动机振动控制技术研究仍相对落后，甚至在一些领域仍处于空白状态，这对我国的摩托车发动机技术的发展产生了巨大影响，因此，加强对其振动分析和控制的研究至关重要。
一、发动机振动分析
（一）发动机振源分析
摩托车发动机在使用过程中的高速运转会产生振动现象，这种振动是由当前发动机技术中的活塞、连杆以及曲柄机构的固有设计特性决定的，就目前的发动机技术而言，发动机的振动是无法避免的。从发动机振动的发生原理分析，发动机的高速运转会产生惯性激振力、力矩和倾覆力矩，其中惯性激振力就是我们所感受到的振动。以单缸四冲程发动机为例，如图1所示。
公式（1）、（2）中；ω为曲柄转速；曲柄与曲柄销的质量为m；曲柄质心到回转中心的距离用S表示；连杆分解在A点的质量用m1表示；活塞、活塞环、活塞销与连杆分解在 B点的质量和用m2表示；r是曲柄半径；A2、 A4、A6是与r /l相关的常数；公式中的l为连杆长度；C1、C3、C5是与r /l相关的常系数；I代表连杆的修正转动惯量；λ代表曲柄连杆之比；连杆作用力在X方向上的分量；φ代表曲柄的转角。
（二）发动机激振力和力矩对振动的影响
发动机的振动与多项技术参数有关。发动机的转速与惯性力和惯性力矩之间存在关联，而倾覆力矩也同样在一定程度上对发动机的振动产生影响。统称情况下，发动机的振动情况会随着激振力与力矩的振动频率变化而产生不同振动效果。例如发动机在低速向高速不断变化的过程中，激振力与力矩的振动频率也会不断发生改变，当振动频率达到与摩托车系统固有的频率一致时，则会产生两种频率之间的共振，振幅增加，此时感受到的整个摩托车系统的振动会迅速加剧。此外，摩托车发动机转速的上升还会导致不平衡惯性力与力矩急速提高，这是发动机处于受迫振动状态，且这种振动将逐渐增强。虽然摩托车发动机技术不断发展成熟，人们不断对解决发动机振动问题进行研究，但发动机技术所使用的活塞、连杆以及曲柄机构本身的特性就发动机的振动是难以避免的，而随着近年来摩托车发动机的功率不断提升，这种振动将会日益严重。
二、发动机振动控制
当充分认清摩托车发动机振动的必然性之后，摩托车发动机的研究方向就转向如何对振动进行最大程度上的削弱。目前发动机振动的控制方法主要有削幅与隔振两种，其中削幅技术的结构较为复杂且成本较高，在实际中的应用相对较少，而以弹性悬挂作为设计核心的隔振结构则具有结构简单、成本低等特点，在实际应用中只需保证其结构的合理化就能起到较好的振动控制作用。
（一）发动机弹性悬挂的作用分析
发动机的弹性悬挂式当前摩托车发动机隔振方面应用最为广泛的一项技术，该技术中摩托车发动机和摩托车车架之间被弹性悬挂分隔开来，一方面通过将发动机系统的干扰频率控制在车架固有频率以下来防治发动机系统的激振力与车架产生共振，从而杜绝因共振产生的振动增强现象，另一方面弹性悬挂中的弹性连接部位能够起到良好的缓冲效果，通过将发动机产生的振动进行过滤来实现摩托车振动的减轻。
（二）耦合度分析
以X、Y、Z立体坐标轴建立发动机相对位形图，如图2所示。发动机的耦合是一种各种振动位移之间相互关联的现象，例如图2中X方向上的振动位移会引起X方向上的往复振动与绕Y、Z两轴的旋转振动。发动机的耦合度与刚度矩阵元素有关，当刚度矩阵中的元素全部不为0时，系统的耦合度为1；当刚度矩阵内的主对角线不为0，其他元素均为0时，系统的耦合度则为0。而只有当系统耦合度为0时，发动机系统任一方向上的振动才不会对其他方向振动产生影响。
根据惯性主轴、弹性主轴以及弹性中心的力学性质分析，振动物体只有在其中心与弹性系统的弹性中心、振动物体惯性主轴以及弹性主轴均不一致时发动机系统的耦合度才为1；而如果物体中心与弹性中心一致，惯性主轴与弹性主轴均不一致，这时系统的平移振动与旋转振动之间不存在耦合，平移振动之间、旋转振动之间存在耦合。如果惯性主轴与弹性主轴相互平行且仅有一个弹性主轴与惯性主轴一致，这时一致轴上的平移振动与旋转振动完全独立，另外两轴的平移振动与旋转振动相互独立，两轴之间的平移振动与旋转振动同样独立，而其中一轴的平移振动对另一轴的旋转振动却是耦合的。如果物体重心和弹性中心之间相互一致，且仅有一个惯性主轴和弹性主轴一致，则平移振动与旋转振动间不耦合，同时一致轴的平移振动与旋转振动处于独立状态，其他两周间的平移振动与旋转振动则相互耦合。
（三）发动机与弹性悬挂设计的相关规范
根据上述发动机系统耦合度的分析可以得出在耦合度为1时，发动机任何方向上存在激振力都会造成整个系统的全面振动，但如果耦合度为0，则发动机单一方向上的激振力只会造成该方向上的振动。基于此原理，发动机及其弹性悬挂设计应遵循一定的规范从而有效减轻发动机振动。
在发动机设计方面，首先，发动机的质心应该按照图2中的O点位置进行设计，使发动机的惯性力、惯性力矩以及倾覆力矩等都以O点位中心，从而方便激励振动的分析计算和弹性悬挂的设计。其次，链轮应设置在活塞、连杆和曲柄的运动平面之内，以确保附加力矩能够得到有效消除，从而使发动机的激振力与力矩仅存在三个自由度的振动，以便于悬挂机构的设计。最后，惯性主轴的设置应保持在活塞、连杆与曲柄的运动平面内，且要与之相垂直的方向，这样可以使弹性主轴和惯性主轴重合，达到减耦目的。
在弹性悬挂设计方面，一是要确保弹性中心和发动机的质心重合，以便消除平移振动和旋转振动间的耦合；二是遵循弹性主轴和惯性主轴一致的原则，确保平移振动和旋转振动各自之间的耦合有效消除；三是弹性系数的确定应以发动机常用转速来计算；四是做好耦合度的缩减。
结语：摩托车发动机的振动控制是一项复杂的工作，其中涉及到诸多数学、物理以及工业设计领域的专业知识，因此要提升其控制水平，还需要我们从振动原理出发，加强对发动机弹性悬挂、耦合度以及相关设计规范的探索，从而有效推动我国摩托车发动机设计技术的快速稳定发展。
参考文献：
[1]徐中明,马坤,汪先国,杨振冬,黄勇.发动机振动评价研究[J].机械设计,2014,31(03):90-94.
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[3]杜静,何玉林,孙学军.摩托车发动机弹性隔振器的设计研究[J].内燃机工程,2005(03):68-72.
论文作者:黄加团
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/19
标签：发动机论文; 弹性论文; 主轴论文; 耦合度论文; 摩托车论文; 力矩论文; 曲柄论文; 《中国西部科技》2019年第11期论文;