论单缸125CC发动机动平衡优化改进
论单缸125CC发动机动平衡优化改进
舒均盛
摘要：
随着生活水平的提高,人们对摩托车的乘坐舒适性提出了越来越高的要求，而设计合理发动机的动平衡是提高摩托车舒适性的重要手段之一。随着计算机技术的蓬勃发展和计算机辅助设计（CAD）技术的兴起，给内燃机动力学分析提供了崭新的手段和得力的根据。使得摩托车发动机动平衡设计变得更加简单可靠。
关键字：发动机动平衡 设计
一、发动机不平衡力简介
在摩托车发动机中引起发动机不平衡的力主要是发动机主要运动件运动产生的往复惯性力和旋转惯性力。本次主要对单缸125平衡轴发动机的动平衡进行优化改进，以减小发动机振动。
二 、单缸125平衡轴发动机分析
单缸125平衡轴发动机增加了平衡轴设计，但是用户使用时还是觉得高速时振动偏大，需对发动机的动平衡重新校核，进行优化。
1、单缸125平衡轴发动机平衡分析：
通过三维设计和实物测量得以下数据：左柄质量m1=735g ，右柄质量m2=710g，连杆质量m3=135g，曲柄销质量m4=170g，滚针轴承质量m5=35g ，平衡轴质量m6=236g；活塞组件质量mp =活塞质量+活塞销质量+挡圈质量+活塞环质量=120g。三维作图，左曲柄重心距离曲轴中心：8.164mm；三维作图，右曲柄重心距离曲轴中心：8.23mm；三维作图，平衡轴重心为：9.78mm；曲柄半径为：28.95 mm，连杆中心距为长度：98.55mm三维作图，连杆重心距离大头孔中心为32.15mm；连杆大头部分质量m7=（98.55-32.15）/98.55×135 =91g。连杆小头部分质量m8=135-91=44 g
三、发动机不平衡力计算
1、离心惯性力平衡效果分析和计算
离心惯性力Kr=-mrrw2
（1）左右曲柄产生的离心力惯性力总和为：K1=（735×8.164+710×8.23）w2=11843w2
（2）曲柄销+连杆大头部分+滚针轴承产生的离心惯性力：K2=（170+91+35）×28.95×w2=8569w2。
因此曲柄连杆总成产生的离心惯性力：K3=3274w2
（3）平衡轴产生的离心力K4=2308w2
（4）将旋转惯性力分解在垂直气缸体中心线X轴上，如下图所示：
曲轴产生的离心惯性力：K3x=3274w2cosa=3274w2cos(β-90°)= 3274w2sinβ，β为曲轴转角。
平衡轴产生的离心力：K4x=2308w2 cosa = 2308w2cos(β-90°)= 2308w2 sinβ，β为曲轴转角。
结论：由此可以看出，在X轴方向上曲轴和平衡轴所产生的离心惯性力相差较大。平衡效果不大理想，需进一步改进设计。
2、 往复惯性力平衡效果分析计算
因摩托车发动机排量小、受到结构空间的限制，因此设计时主要考虑一阶往复惯性力对发动机平衡的影响。
一阶往复惯性力：Kj=-mjrw2cosβ，mj：活塞组件加连杆小头部分的质量总和，r：曲柄半径，w：—曲轴旋转运动角速度，β——曲轴转角
（1）活塞组件和连杆小头产生的往复惯性力计算：mj=mp+m8=120+44=164g，Kj=-mjRw2cosβ=-164×28.95w2 cosβ=-4747.8w2 cosβ
在气缸体中心线Y轴方向上，曲柄总成离心惯性力在Y轴上的分力和平衡轴离心力共同平衡活塞部分往复运动产生往复惯性力。
曲柄总成离心力和平衡轴离心力在Y轴方向上的合力为：K6=（K3+K4）w2sina=（3274+2308）w2sin a=5582 w2sin(β-90°)=- 5582 w2cosβ
结论：由此可见，在平衡一阶往复惯性力上4747.8 w2cos a和5582w2cos a相差较大，所以平衡效果不大理想，需进行一改进。
四、设计改进方案
1、方案
（1）通过三维设计，将左、右曲柄柄厚改成13mm。
（2）平衡轴柄厚改成13mm。
2、 离心惯性力平衡效果重新计算
离心惯性力Kr=-mrrw2
（1）左、右曲柄离心力总和计算
更改后：左曲柄质量m1’=713g ，右曲柄质量m2’=690g；左曲柄重心距离曲轴中心：7.65mm,右曲柄重心距离曲轴中心：7.956mm;
因此,离心力总和为：K1’= (713×7.65+690×7.956) w2=10944 w2
(2) 曲柄销+连杆大头部分+滚针轴承产生的离心力计算
因为连杆和曲柄销同改前一样，曲柄销+连杆大头部分+滚针轴承产生的离心惯性力：K2’ =8569w2。因此曲柄连杆总成产生的离心惯性力：K3’=10944w2-8569w2=2375w2
（3）平衡轴（柄厚13）产生的离心力计算：
通过三维作图,平衡轴产生的离心力惯性力K4’x=2374w2 cosa= 2374w2 cos(β-90°) =2374w2 sinβ。
结论:在X轴方向上曲轴和平衡轴所产生的离心力惯性力相差很小。理论上平衡效果较好。
3、一阶往复惯性力平衡效果计算
因活塞组件和连杆未作改变，曲柄离心力和平衡轴离心力在Y轴方向上的合力为：
K5’=（K3’+K4’）w2sin a=（2375+2374）w2sin a=4749 w2 sin(β-90°)
=- 4749 w2 cosβ
结论：曲轴和平衡轴产生的里离心力在Y轴上的合力- 4749 （g ）w2 cosβ与活塞往复运动产生的一阶往复惯性力-4747.8w2 cosβ相差很小，起到相互抵消的作用。
五、试验对比验证
将台架对比完成的两辆车作道路试验对比，结果发现改进后发动机的整车坐垫、脚蹬、手把、油箱振动明显小于改进前的整车。达到了改进效果。
六、结论
本次对改进前和改进后的单缸125CC发动机动平衡作了计算分析和试验验证，改进后的发动机振动有了很大的改善。
参考文献
[1] 杨光兴，《摩托车发动机原理与设计》，武汉测绘科技大学出版社，1993
