【DOC】摩托车汽油机不平衡力幅值的研究

【DOC】摩托车汽油机不平衡力幅值的研究 摩托车汽油机不平衡力幅值的研究 第35卷第6期 2006年12月 小型内燃机与摩托车 SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLE Vo1.35No.6 0ct.2006 设计?计算 摩托车汽油机不平衡力幅值的研究 聂君臣范子杰 (1一中国嘉陵集团技术中心重庆4000322一清华大学汽车系) 摘要:发动机不平衡力输出是引起摩托车振动的直接原因,对发动机不平衡力的研究是对整车振动 研究的基础.它是进行振动模拟计算的边界条件,直接影响到计算结果的正确性.本文不仅推导出各 不平衡力随曲柄转角的变化关系,而且着重考察了随转速变化的各不平衡力幅值在频域内的变化趋势, 从而使采用省时的频域计算法来模拟计算整车振动成为可能. 关键词:发动机摩托车不平衡力幅值 中图分类号:TK412.5文献标识码:A文章编 号:1671—0630(2006)06—0021—04 StudyontheAmplitudeofMotorcycle EngineUnbalanceForce NieJunchen.FanZijie 1一 TechnicalCenterofChinaJialingIndustrialCo.,Ltd,(Chongqing400032) 2一DepartmentofAutomobileEngineering,TsinghuaUniversity Abstract:Unba|anceforcesoftheengineiSthemainreasonforvibrationofmotorcycles.Theinvestigationof theengineunba1anceforceiSthebasisofthecompletemotorbikevibrationresearch.Theyaretheboundary conditionsofvibrationsimulation.whichhavesignificantinfluenceonthevalidityofcalculationresults.In thispaper,notonlytheunbalanceforcesfollowingthecrankangleareinvestigated,butalsotheamplitudesof theunbalanceforcesfollowingenginesareconsideredinfrequencydomain.Sowecanusethetime—saving method,the~equencydomainmethodtocalculatethevibrationofthecompletemotorcycles. Keywords:Engine,Motorcycle,Unbalanceforce,Amplitude 1理论推导 1.1发动机的不平衡力输出 摩托车发动机采取非对称过量平衡方式,示意图 见图1,相对于中心曲柄连杆机构,它有活塞销偏心和 平衡重偏心两个独特的地方.其不平衡力及力矩输出 有Y向,z向不平衡力和绕戈轴的不平衡力矩. 对于中心曲柄连杆机构,往复惯性力 :一%rwcos一Amjr~cos2a(1) 式中:m:往复运动质量; r:曲柄半径; CO:曲柄转动角速度; A:连杆比; :曲柄转角 考虑到活塞销偏心影响,往复惯性力应为… =一Mcos一Amjrcocos2a — kAm~rcosina(2) 式中k=e/r,即活塞销相对偏心量;e一活塞销偏 心量.再考虑到平衡重偏心影响,则发动机输出不平 衡力和不平衡力矩如下: = , r?.sl.no~一 msin(一) =m,to)cos一m口cos(一)一 = (Pg+Pj)ta(/co+rcos~) 作者简介:聂君臣(1973一),男,硕士,主要研究方向为摩托车振动控制 技术. (3) (4) (5) 22小型内燃机与摩托车第35卷 式中 图1摩托车非对称过量平衡示意图 m,:旋转运动质量; m:曲柄平衡重质量; P:气体作用力; :平衡重偏心角; :连杆摆角; f:连杆长度; :平衡重质心与曲柄轴线距离; :Y向不平衡力; :向不平衡力; :绕轴不平衡力矩. 1.2相位推导 由式(3) Fv=m,/’03sina一,Br03sin(一0) =m,/’03slnot—mFB~.Osinacos0 +mBcosasin0 = (mr一m8rB03cos0)sina +m日?sin0cosa m,r+mir)toCOS一,占r03cos(一0) +kAmrc.osina+Am/’03cos2 = (mrr+mjr)oJcos一,r曰03cosO/~OS0一 m日?sinasin0+khm~rtosinot+Amirto.cos2a = (mr+m,一m8cos0)a~cos +(khmjr—m月sin0)03sinot+Amjrtocos2a 0为已知常数 设A=(m,r+m,一m口rBcos0)a~ B=(khmir—msin0)to C:hrnjr03 6=180+arctan(百13.) 贝0:F=ACOS+Bsinot+Ccos2a =+B2sin(+8)+Ccos2 =v.+BCOS(+(8—90))+Ccos2a(7) 从上式可知:z向有1阶和2阶不平衡力,1阶不 平衡力为相位为(—90)的余弦曲线,2阶不平衡力为 相位为0的余弦曲线. 由式(5) = (Pg+Pj)ta(/cosB+/’~OSO~) 设燃烧压力曲线为_厂(),则P=厂() 式中D:气缸直径 = (Pg+pj)tan~(/cosB+/’COSO~) (,()了7rD2一 r? 2 c.s +Amirtocos2a+kAmjrtosinot)?协 (/cosB+FCOSO~)(8) 因_厂()不能用准确的函数关系式达,故公式 (7)不能用简单的阶次关系式表达,需借助程序计 算. 2实际计算 2.1时域计算 根据上述,对嘉陵某单缸发动机,在2000r/min一 10000r/min间每隔1000r/min进行了不平衡力输出计 算.燃烧压力曲线采用了奥地利AVL公司的Boost软 件仿真结果,见图2.曲柄连杆系的几何质量参数见 表1. 将图2和表1有关数据代人式(6)一式(8),用 matlab编程序计算出各转速下1个工作循环内(720.) 不平衡力输出结果如图3一图5所示. 第6期聂君臣等:摩托车汽油机不平衡力幅值的研究 ? = 屯 一 2oo0r/min , 30oor/min ——一 4000rtmin 5000r/min -…- 6000r/min ............—— 70OOr/min … 80o0r/min --一-t 9000r/min …, 1o000r/min 曲柄转角,?A 图2不同转速的燃烧压力曲线 表1嘉陵某发动机曲柄连杆系参数表 名称数值 活塞组质量0.169 往复质量/kg 连杆小头质量0.0526 曲柄销质量0.265 旋转质量/kg 连杆大头质量0.1l64 平衡重质量(含曲柄臂,轴)/kg2.53 曲柄半径0.02475 平衡重与曲柄中心距离/mO.OO57 连杆长度/In0.1035 活塞销偏移距离/m0.oo05 平衡重偏心角度/(.)2.0o7 气缸直径/m0.056 乏 妪 /?A , 2oo0r/min —— 30()omin —— 4Oo0r/mln -一- 5Ooor/min 一一, 6oo0T/min …… 7oo0r/min ——————- 800Or/rain —— 9Ooor/min —— 1O()()omin 图3不同转速下Y向不平衡力 d,/~ca 图4不同转速下向不平衡力 2oo0r/min , 3000r/min 一 40()or/min 一 50()or/min , 6oomin 7ooOr/min 一 8ooOr/mi’ll 一 90()or/min — lOOoor/min l5O 100 螽50 荟. 一 50 一 l0O — l50 - 矗 2Ooor/min 3Ooor/min 4OOOr/min ,-- 5Ooor/min .… 6O【x】r/min … 7Ooor/mjn … 8O00r/min ,—— 9oo0r/min ---------rr—— lOOf~/min 0lO0200300400500600700 d,/A 图5不同转速下绕轴不平衡力矩 2.2FFT变换 为了保证F兀1变换时有足够的平均次数,将上述 各不平衡力在不同转速下计算4O个工作循环,并变换 成随时间变化曲线,用德国head公司的Artimes软件 进行FFT变换计算.图6,图8是6000r/min时各不 平衡力的幅值和相位. 00.10.2f/B0?4O-5 a 乍.【…L.一————1.1一---———-—-l——--_L——.一 l——L——ff0100200flH z 400500600 b 1000 750z 500 250 图6Y向不平衡力时域曲线和FFT变换结果 oo1o.2,/s040?5 a 0l00 l000 0暮 一 l000 l000 750苣 500 25O 300400500600 f/Hz b 图7向不平衡力矩时域曲线和FFT变换结果 00.10.2f/s0-40.5 a lI1 广卜十一0_}一 l00×10 50x10目 0z - 50x10》 一 100×l0 20×1目 10×10毛 0 0l00H z 300400 D 图8绕轴不平衡力矩时域曲线和FFT变换结果 (下转第27页) 第6期郑霞君等:小型通用二冲程汽油机排放控制的试验研究27 但当进一步加大A/F(A/F>13.2,1E45各排放 量及热负荷变化量未在图1及表4中列出),CO排放 下降很小,HC出现回升趋势,发动机转速忽高忽低, 加权平均许用功率下降,火花塞座处及排气消声器处 温度急剧增加,NO排放猛增.A/F越大,上述现象越 严重.显然,只对二冲程机进行简单空燃比调整是无 法满足EPA第2阶段HC+NO排放限值要求的. 2)加装R催化转化器以降低HC,NO排放 在空燃比已优化的1FA5试验机上,加装R催化 转化器.在R催化作用下,?排气中的HC,NO分别 下降了64.5%和88.6%,HC+NO=16.90<50(g/ kW-h)满足EPA法规相应限值要求;?由于水蒸气 重整反应和ACO的生成,使CO比排放略有上升,但 仍满足EPA排放法规要求;?在HC氧化和NOx还原 过程中,生成了大量CO:,其增幅达26%.由于催化 转化器内HC氧化转化量较小,故催化器进出口的平 均温升仅为7?.此时,发动机运转平稳,加权平均许 用功率不变. lEA5试验结果完全达到上述排放策略要求.为 手持式二冲程小型汽油机排放控制奠定了基础. 3结论 通过对国产二冲程小汽油机排放特点和EPA第 二阶段排放法规的分析,提出了排放控制策略. 1)国产二冲程小汽油机应采用机内净化与机外 净化相结合措施,才能达到严峻的EPA第2阶段排放 . 2)机内净化以优化空燃比为主,可有效降低CO, HC排放. 3)机外净化宜采用以还原NO和氧化HC为主的 R催化转化器. 4)适当增加贵金属R填充量.可提高R催化转 化器对HC+NO的转化率. 参考文献 1林漫群,贾滨等.欧美通用小型汽油机排放法规介绍.摩 托车技术,2005(8) 2贾滨.我国将制订第一个通用小型汽油机排放法规.小 型内燃机与摩托车,2004(1) 3贾滨等.国产通用型汽油机的排放现状及催化转化器的 应用.摩托车技术,2004(11) 4RonaldG.Silver,JohnS.Howitt.Thechallengesofapply— ingcatalyticaflertreatmenttosmallutilityengines.SAE 961735 5龚金科等.车用三元催化转化器的化学反应机理研究+ 内燃机,2004(1O)(收稿日期:2006—02—14) (上接第23页) 2.2.1幅值变化趋势 在不同稳态转速下对各阶不平衡力进行FFT变 换,其峰值变化即为各阶不平衡力变换趋势,如图9, 图11所示. 掘 ------------一 2000r/min 3(X)ih’hnilI …一 4(W)()r/I]IIf1 5fX)r/rain …… 6(=)【)Or/min …一 7(X)111|fJ …一 8(Xx】min 一 9)r/rain — l(m(X)r/trillt l阶平衡力 图9Y向1阶不平衡力变化趋势 2O00r/rain —— 30oOr/rain ———— )oor/rain ……… 50oOr/rain 60oOr/rain 70oOr/rain ,一一 8rain —— 90()0r/rain 0 频率/Hz 图10z向1阶和2阶不平衡力变化趋势 宣 ? 暮 妪 0.5阶 1阶 1.5阶 2阶 25阶 3阶 35阶 4阶 4.5阶 5阶 图l10.5阶,5阶不平衡力矩变化曲线 3结论 1)对摩托车汽油机的非对称过量平衡机构的不 平衡力进行了理论推导,确定了便于幅值表达的计算 公式. 2)通过计算不同稳定转速下的不平衡力幅值,确 定了各阶不平衡力随频率的变化趋势. 参考文献 1吴兆汉,汪长民,林桐藩,方球.内燃机设计.北京:北京 理工大学出版社,1990 2邓曼涯.摩托车过量平衡及振动分析.[硕士学位论文]. 武汉:武汉汽车工业大学,2001 (收稿日期:2005—04—24) 一躲 三