通用小型汽油机气缸布置方式对整机振动的影响

陆存豪，刘胜吉，李志丹

（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇 江 212013；2.中国一拖集团有限公司，河南 洛 阳 471000）

通用小型汽油机是我国内燃机行业中近几年产量增幅最大的产品，从2001年的不足100万台到目前年产量超过2 000万台，且产量的80%是销往国外，我国已经成为世界通用小型汽油机的主要生产基地［1］。虽然我国的通用小型汽油机产量较大，但是生产的产品多为仿制生产，自主研发产品极少；与其他国家同类产品相比，批量生产的产品质量一致性较差，大多数企业的产品样机已通过欧盟、美国EPA的排放、安全认证，但出口欧美等高端市场产品完全满足国外的排放法规有一定困难，因此产品出口到东南亚、非洲等市场的比例较高，附加值较低。随着买方市场的强势，用户对产品质量的要求愈来愈高，许多技术问题需要解决［2］。小型汽油机或机组在自由状态下运行的振动在产品订货、验收样机开机运行时最容易被感官检验，虽然国外对汽油机及机组的振动指标没有强制性法规，但是汽油机振动所引起的噪声、零件磨损或损坏、产品可靠性下降，使得国外消费者在选择产品时对汽油机振动性能特别关注。因此减小通用小型汽油机的振动是提升企业产品竞争力的有效措施之一［3］，应该引起各企业的重视。

目前汽油机振动模拟计算技术已经较为成熟，在车用汽油机和摩托车汽油机振动分析中的应用已有报道［4］，但关于通用小型汽油机的振动分析及减振的文献还很少。本研究运用Adams工程软件进行168F汽油机的振动模拟，研究了不同气缸布置方式对汽油机振动的影响，并通过振动试验验证模拟计算的可靠性。

1 168F汽油机样机振动测试平台

对1台168F小型汽油机样机进行振动试验。按照国家标准GB／T 10398—2008《小型汽油机振动评级和测试方法》［5］要求制作了通用小型汽油机振动试验专用试验平台，结构见图1。

168F通用小型汽油机的质量为13.6kg，汽油机长185mm、宽185mm、高220mm，汽油机形心至曲轴中心线距离20mm，汽油机安装位置是曲轴中心线与X轴方向平行，曲轴中心线至平板顶面的距离105mm；平板长1 100mm，宽700mm，厚度28mm，平板、支撑弹簧及其附件构成的试验平台质量为173kg，汽油机安装紧固装置约为3kg；4个支撑弹簧的弹簧刚度为37 567N／m，汽油机与试验平台组成了多自由度的振动系统。振动测点是在平板的X，Y轴上与平板中心对称，测点数为4个。图1中1，2，3，4为测点位置。每个测点装有3方向的加速度传感器拾取X，Y，Z3个方向上的振动信号，经过电荷放大器后振动信号接入数字示波器，可直接读取振动速度的最大均方根值［6］，得出振动烈度值。

2 仿真模型的建立

在Adams／view的环境下建立168F通用小型汽油机振动测试仿真模型（见图2）。该模型完全是按照国家标准规定的振动试验台及测试系统建立的，平板上4个黑色的点即为测点1，2，3，4的位置。仿真结束后，在Adams软件的后处理程序Adams／Postprocessor测量栏中选中mark1，mark2，mark3，mark4点，即测点1，2，3，4的 X，Y，Z3个方向的振动速度，振动速度的波形即可显示出，再点击Plot tracking数据处理按钮，软件即可算出该振动波形的RMS值，即该振动速度波形的均方根值。

3 结果分析

3.1 转速对振动的影响

首先在1 800，2 200，2 500，2 800，3 200，3 600，4 000r／min转速下对汽油机空载运行的振动进行了测试和模拟分析，模拟计算结果与试验结果的对比见图3。试验结果与计算结果变化趋势基本一致，3 600r／min时二者最为接近，汽油机试验当量振动烈度（Vs）为58.4mm／s，模拟计算结果为57.6mm／s，因此模拟计算有较高的可靠性。

从图3可以看出，168F小型汽油机振动值的最低点为2 500r／min空载工况，此时当量振动烈度为47.32mm／s；当量振动烈度最大值为64mm／s，出现在4 000r／min空载工况。随着汽油机转速的上升，当量振动烈度先减小后增大。在怠速1 800r／min时，由于进气量少，缸内和进气流道温度较低，燃油雾化质量差，导致燃烧较为恶劣，汽油机循环波动率大，气缸压力变化大引起汽油机振动较大。随着汽油机转速增大，进气量增多，空气流动加强，缸内温度高，燃油雾化和油气混合较好，燃烧稳定使得缸内最高燃烧压力增大，循环波动减小。转速较低时，旋转惯性力和往复惯性力较小；超过2 500r／min时，不平衡惯性力是引起振动的主要因素，因此转速增加，汽油机的振动也随之加大。

168F汽油机采用过量平衡法，通过曲轴的平衡块，在完全平衡旋转惯性力的情况下，部分平衡往复惯性力，使Y，Z各单方向的振动振幅减小，整机振动改善，保证汽油机可靠运行。与复杂结构的单轴或双轴完全平衡法相比，过量平衡法整机减振效果略差，但其结构紧凑、质量轻、可移动性好，目前国内外缸径75mm以下的机型多采用过量平衡结构，平衡量值为50%左右时机器振动烈度最小。

另对168F小型汽油机的激振力F进行计算，图4示出在3 600r／min转速下，激振力F随曲轴转角的变化和激振力在Y，Z两个方向的分力。从图中可以看出，激振力F随曲轴转角呈正弦变化规律，最大值为551.5N，其在Y和Z方向上的分力亦呈正弦变化规律。

3.2 气缸布置方式对振动的影响

图5示出气缸斜置角对168F整机振动烈度的影响，计算转速为汽油机标定转速3 600r／min。气缸斜置角为0°时，气缸为卧式布置；气缸斜置角为90°时，气缸为立式布置。气缸斜置角在0°～90°范围变化时，从当量振动烈度的变化看，在气缸斜置角为45°时整机振动最小，当量振动烈度为45.1mm／s，与25°斜置角相比，样机的振动烈度减小了29.5%。斜置角为0°和90°时当量振动烈度均较大，分别为64.9mm／s和60.4mm／s。随着气缸斜置角度增大，测点1的Y方向振动速度不断减小，Z方向振动速度不断增大（见图5b）。在气缸斜置角为45°时，Y 方向振动速度为11.2mm／s，Z方向振动速度为10.9mm／s，使得整机在Y方向和Z方向振动速度值最优，汽油机当量振动烈度最小。

另外计算出在3 600r／min转速、不同气缸斜置角下激振力在Y，Z方向上的变化（见图6）。在不同斜置角下Y和Z方向上的激振分力不但峰值相位不同，而且峰值大小也不相同。在Y方向上，激振分力的峰值随着斜置角的增加而减小；在Z方向上，激振分力峰值随着斜置角的增加而增加。

气缸斜置角不同，汽油机在垂直和水平方向上激振分力也不同。当斜置角过小时，水平方向分力过大，水平方向振动速度变大；当斜置角过大时，垂直方向分力过大，垂直方向振动速度变大。气缸斜置角在45°时，垂直和水平方向分力取得折中，使得整机振动最小。

气缸斜置角对汽油机其他工作系统也会产生影响。比如斜置角变大，使汽油机高度加大，质心变高，采用飞溅润滑结构的气门罩壳内的零件润滑可靠性需特别注意。因此在保证汽油机其他结构设计与布置合理的情况下，气缸斜置角取值为45°左右时，汽油机振动性能较好。

4 结论

a）目前缸径小于75mm的通用小型汽油机，整机采用无平衡轴的过量平衡法，通过曲轴平衡块可平衡活塞连杆的往复惯性力约50%，汽油机的振动特性低速时受缸内燃烧的循环波动影响，高速时与气缸布置等结构设计有关；

b）在标定转速下，气缸斜置45°时振动最小，卧式或立式气缸布置振动都较大；气缸45°斜置较卧式布置整机当量振动烈度低41.9%，较原机25°气缸斜置结构整机当量振动烈度低29.5%；

c）气缸斜置角不同，汽油机在各个方向激振力分力也不同，斜置角为45°时，激振力分布最合理。

［1］ 中国内燃机工业协会.2011年中国内燃机工业年鉴［M］.14版.上海：上海交通大学出版社，2011：84－87.

［2］ 廖发良，杨 宏.小型汽油机的性能改进研究［J］.重庆交通大学学报，2011，30（1）：130－135.

［3］ 万年红.以小型汽油机为动力的草坪修剪机的振动研究［J］.黎明职业大学学报，2010（3）：40－42.

［4］ Sakamoto Y，Kawamura S，Sunayama Y.Study of Bolt Model to Improve Accuracy of Engine Vibration Analysis［C］.SAE Paper 2010－32－0026.

［5］ 标准编写组.GB／T 10398—2008 小型汽油机振动评级和测试方法［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［6］ 刘胜吉，李志丹，张振宁，等.通用小型汽油机的振动测试与分析［J］.机械设计与制造，2011（4）：34－36.