【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表达,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
,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
,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