汪允志

摘要：當(dāng)前摩托車為了提高發(fā)動機各方面性能，相關(guān)設(shè)計人員對摩托車發(fā)動機自身潛能進行了挖掘，讓其發(fā)動機向多氣門的方向發(fā)展，逐步深化摩托車的發(fā)動機性能。摩托車發(fā)動機高負荷和低負荷之間存在一定差異性，在實際性能提升方面需要對其進行綜合考慮，站在燃油的經(jīng)濟性和排放性方面進行分析，其二者也是主要沖突之一，此類問題不能僅只靠增減氣門數(shù)量進行改善，需要從設(shè)計方案上入手。我國中小型發(fā)動機自身具有一定劣勢，比如說結(jié)構(gòu)的緊湊性，轉(zhuǎn)速較高等問題，在結(jié)合布局問題，嚴重制約了摩托車發(fā)動機的設(shè)計工作。為了改變以上問題本文先對凸輪進行了改進設(shè)計，后又結(jié)合結(jié)構(gòu)問題，在其范圍內(nèi)對發(fā)動機進氣系統(tǒng)進行設(shè)計完善，改變發(fā)動機的進氣性能。

關(guān)鍵詞：摩托車;發(fā)動機;進氣性能;改進

引言：

摩托車在發(fā)動機轉(zhuǎn)速方面具有一定特點，比如說整體轉(zhuǎn)速較快的問題，一般情況下，轉(zhuǎn)速可以達到一分鐘一萬轉(zhuǎn)的效果。摩托車發(fā)動機結(jié)構(gòu)較為緊湊，一般發(fā)動機會選擇兩氣門的結(jié)構(gòu)。此類發(fā)動機自身能力較強，但由于進氣門數(shù)量少的原因，進氣的阻力較大，在性能方面會受到一定影響。因此需要改善摩托車發(fā)動機的進氣性能，以滿足摩托車實際需求;提高整體動力性能，在改進設(shè)計時，設(shè)計人員需要站在經(jīng)濟性和廢氣排放實際情況入手，必須符合國家相關(guān)標準，才可進行改進設(shè)計工作。在進行發(fā)動機進氣系統(tǒng)改進時，要確保改進之后可以有明顯效果，滿足實際設(shè)計需求。

一、凸輪的改進設(shè)計

對于摩托車發(fā)動機中的凸輪而言，此類凸輪具有一定特點，比如說運動質(zhì)量小，整體剛度大的優(yōu)勢，此過程中氣門整體升程較大，在高速內(nèi)燃機中可以發(fā)揮出實質(zhì)作用，因此也對摩托車自身較為有利。此類凸輪不僅可以滿足摩托車運行需求，還能提高發(fā)動機自身功能，所以也被廣泛應(yīng)用在摩托車發(fā)動機中。但是此類凸輪自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，凸輪輪廓會隨著氣門的運動產(chǎn)生自身運動規(guī)律，搖臂和凸輪、氣門方面都會隨著摩托車的運行而發(fā)生一定的改變，比如說位置問題，位置問題會直接影響凸輪的升程。在進行進氣凸輪設(shè)計工作時，設(shè)計人員需要先確定氣門理論中所涵蓋的參數(shù)，然后再結(jié)合二者之間的關(guān)系，以此驅(qū)動傳動關(guān)系，確定凸輪升程。

（一）氣門規(guī)律確定

在摩托車發(fā)動機中，如果不考慮配氣結(jié)構(gòu)發(fā)生形變問題，那么氣門自身會隨著實際運動規(guī)律形成相應(yīng)理論規(guī)律。發(fā)動機為了滿足氣門自身功能實現(xiàn)，會有落座小和規(guī)避飛脫現(xiàn)象的要求，其中氣門理論運動規(guī)律也要隨著凸輪自身型線和多項組合內(nèi)容進行設(shè)計工作，此項內(nèi)容也是氣門自身的特點。本文中選擇七項式高次方函數(shù)，確定氣門理論升程函數(shù)，計算需要結(jié)合中氣門理論升程進行分析。在計算過程中為了滿足凸輪最大升程轉(zhuǎn)角的計算，設(shè)計人員還需以最開始的轉(zhuǎn)角為基礎(chǔ)，繞凸輪一周，計算出凸輪軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)。在計算過程中很多參量為待定參量，在計算時可以自行建立邊界條件，得出最終的結(jié)論。如果有確定的參數(shù)進行計算，則可以應(yīng)用待定指數(shù)，算出正整數(shù)值，得出氣門理論升程中最為豐滿的系統(tǒng)值，此類數(shù)值最終可以通過最優(yōu)解進行計算求解工作，建立出最優(yōu)化的設(shè)計模型，還能顯示出凸輪的最小曲率和最小曲率的半徑。結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，融入極限值計算最大加速度，從而優(yōu)化設(shè)計問題，還可通過氣門理論升程豐滿各項系數(shù)，通過指數(shù)和對應(yīng)系數(shù)的比值，確定氣門理論升程的函數(shù)。

（二）凸輪升程值

凸輪的升程值是通過氣門理論升程函數(shù)得出。搖臂驅(qū)動氣門具體圖片如圖一所示。在搖臂簡化圖中看出，將搖臂定義為一個支點，通過支點擺桿，再結(jié)合兩個擺針讓其在凸輪表面形成垂直狀態(tài)，最終使其垂直方向與氣門桿端面達成平行狀態(tài)。在此過程中發(fā)現(xiàn)，氣門中心線是垂直線，垂直線與擺針的延長線形成了交叉的點，將各類線條連接，發(fā)現(xiàn)其最終形成了一個三角形。在對比兩個三角形相互關(guān)系時，可以結(jié)合各項數(shù)據(jù)求出凸輪的升程值。

（三）凸輪設(shè)計

結(jié)合上述中各類設(shè)計方法，相關(guān)改進人員對摩托車發(fā)動機中的凸輪進行了改進工作，改進工作要與相關(guān)標準相吻合，不得改進其他構(gòu)件，改進還需結(jié)合我國國家相關(guān)構(gòu)件數(shù)據(jù)標準進行，滿足最終改進需求。新設(shè)計凸輪的氣門理論運動升程加速圖，如圖2所示。在新設(shè)計中不難看出，凸輪的氣門升程豐滿系數(shù)較高，并且在正加速度寬度方面也有了新的轉(zhuǎn)變，其中最大加速度和緩沖段的終點速度都發(fā)生了變化。在設(shè)計工作中各類設(shè)計參數(shù)特點可以從圖中看出，氣門理論升程函數(shù)中的各類參數(shù)均在增加，所以在優(yōu)化設(shè)計中結(jié)構(gòu)最終的系數(shù)也會發(fā)生提高，最終讓氣門開啟后的面值不斷增大，此時改變發(fā)動機自身性能則可以滿足近期性的功能需求。

在氣門理論運動規(guī)律中，如果正加速度中寬度增加，那么最大加速度的值就會與摩托車原發(fā)動機相吻合。改進設(shè)計工作中所得出的各類參數(shù)是凸輪配氣結(jié)構(gòu)中的與動力學(xué)有關(guān)的數(shù)值，此項改善工作主要目的是為了改善傳統(tǒng)發(fā)動機中弊端，提高原發(fā)動機的性能。改進人員為了驗證新設(shè)計后的凸輪對發(fā)動機的影響，試驗人員還需對其進行試驗，將其放置試驗臺，通過測試，確保發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速下的充氣情況。隨著充氣效率和質(zhì)量的改變，整體數(shù)據(jù)也形成了曲線，在曲線中看出新設(shè)計出的凸輪與傳統(tǒng)凸輪相比較，發(fā)動機在充氣效率方面有所改善，尤其是在高轉(zhuǎn)速的情況下，充氣效率已肉眼可見的速度提高。

二、進氣系統(tǒng)的改進設(shè)計

對于摩托車發(fā)動機進氣系統(tǒng)而言，高負荷的工作會讓其產(chǎn)生進氣諧振現(xiàn)象，此類現(xiàn)象嚴重影響了操作者的使用感，為了規(guī)避這一類問題，本文對摩托車進氣系統(tǒng)作出了改進設(shè)計。進氣系統(tǒng)在進氣過程中，活塞在進行下行運動時，會使其進氣管內(nèi)發(fā)生膨脹問題，膨脹問題主要由膨脹波引起。膨脹波在進氣系統(tǒng)中會形成反射現(xiàn)象，反射現(xiàn)象主要是在開口端，后期還會形成壓縮波問題，壓縮波最后向氣缸的方向傳播。

在一定條件下，壓縮波強度較大的變化直接制約發(fā)動機進氣系統(tǒng)工作，進氣處如果壓力較大的話，會增加發(fā)動機的進氣量，進氣量的增加會提高充氣效率，充氣效率在壓力管道中的運行一般是兩個來回，此傳播流程也是一個傳播周期，因此可以通過改變壓力波的振動頻率，改善諧振現(xiàn)象，從而改進充氣效率，讓其充氣效率有所提升，并且達到最大值。

在對比頻率方面，摩托車發(fā)動機標定的轉(zhuǎn)速應(yīng)該在規(guī)定范圍內(nèi)，其中管內(nèi)的空氣會由于溫度的變化而變化，所以可以從改變進氣管道的長度完善此項內(nèi)容。在改進工作之中，綜合考慮了進氣管道長度問題后，發(fā)現(xiàn)進氣管道分為進氣道、進氣管、化油器等部分，各類部件的結(jié)合，使其進氣管的長度較長，如果想要改變進氣管的長度，需要結(jié)合充氣效率合理改進。充氣效率要結(jié)合摩托車發(fā)動機不同運動狀態(tài)下所形成數(shù)據(jù)，將其整合成為曲線圖，通過曲線圖實際情況，分辨出數(shù)值。

與傳統(tǒng)的進氣管設(shè)計方案相比較，如果進氣管的長度加長，那么摩托車發(fā)動機中的充氣效率就會發(fā)生改善，整體充氣效率有所提升，此時如果轉(zhuǎn)速超過規(guī)定轉(zhuǎn)速后，充氣效率則會開始下降，并且以最快的速度下降，此時進氣管中的充氣效率有明顯下降趨勢，并且效率波動很難被發(fā)現(xiàn)，甚至還會降低到最低點。總而言之，無論任何方案進行發(fā)動機的改變工作，都需結(jié)合進氣管長度進行改善，其中充氣效率狀態(tài)在不斷改變下，摩托車發(fā)動機轉(zhuǎn)速就會提升，因此進氣管是當(dāng)前摩托車發(fā)動機設(shè)計改善的根本，需要得到相關(guān)設(shè)計人員的重視。

在進氣通路設(shè)計時，通常比較重視氣缸頭進氣道的設(shè)計，而忽略了進氣管的設(shè)計，實際上在進氣通路設(shè)計時，應(yīng)考慮整個進氣系統(tǒng)，包含自喉口至氣門的整個通路，要保證整個通路的走勢順暢，且截面過渡順滑，各關(guān)鍵部位的截面積比例分布均勻，各部件連接處應(yīng)保證不能存在逆向臺階的基本要求，設(shè)計時考慮尺寸散差的影響，通常上游部件的截面要大于下游部件界面0.5mm左右，在確定完進氣通路整體布局、走勢、截面積比例關(guān)系后，要對氣道各截面的流速進行計算，確保氣道具有較高的進氣流速，從而保證發(fā)動機燃燒室內(nèi)能獲得相對較高的氣流速度，形成較高的湍動能，以提高發(fā)動機低速時的性能，以及部分負荷時的過渡性，并且可以提高燃燒效率，獲得較好的燃油經(jīng)濟性。下圖三是基于上述設(shè)計原則對進氣管及整個進氣通路進行優(yōu)化后的性能對比圖;新方案是包含進氣凸輪優(yōu)化設(shè)計以及進氣管和整個進氣通路的優(yōu)化設(shè)計的綜合方案，新的進氣管改變了傳統(tǒng)進氣管的設(shè)計，采用了倒錐形的氣道，并且進行了加長，其中錐體大端與化油器相連，經(jīng)過計算及氣道的優(yōu)化設(shè)計，消除常用轉(zhuǎn)速工況下的諧振效應(yīng);新方案在各轉(zhuǎn)速下，充氣效率及進氣流速均得到了較大的提高，整體效果較為明顯，經(jīng)過優(yōu)化，發(fā)動機整機性能得到了明顯的提升。綜合以上改進措施，提高發(fā)動機性能的核心是改善其進氣，應(yīng)對整個進氣系統(tǒng)進行綜合考慮，整體優(yōu)化設(shè)計，而不應(yīng)執(zhí)著與某一個孤立的部件或參數(shù)。

結(jié)論：在凸輪設(shè)計中，應(yīng)用了七項式高次方函數(shù)為后續(xù)氣門理論升程函數(shù)提供了理論依據(jù)，從而實現(xiàn)氣門開啟時的面值需求，改變了摩托車發(fā)動機的進氣功能。高轉(zhuǎn)速的摩托車發(fā)動機，一直有明顯的諧振情況，為了規(guī)避此類現(xiàn)象，相關(guān)設(shè)計人員改變了進氣管的長度，在改善之后，實驗表明了以上兩個構(gòu)件的改善提高了發(fā)動機整體性能，并且也讓各項問題得到了解決。

參考文獻：

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