通用小型汽油机的振动测试与分析
通用小型汽油机的振动测试与分析
【摘 要】振动是影响小型汽油机可靠性、耐久性的重要指标。按照国家标准GB/T 10398推荐的实验装置要求建立了一套通用小型汽油机振动测试系统，以168F汽油机为研究样机，分析了通用小型汽油机的结构特点及影响振动的因素；对168F汽油机进行多工况的振动测试与分析，结果表明168F汽油机由于采用无轴平衡方式平衡往复惯性力，整机当量振动烈度偏大，分析给出了减小振动的方法和措施。通过本课题的研究可以对技工学校数控加工和汽车维修专业的项目建设和开发给予一定的技术支撑，也可以促进校企合作的开展,同时能提升技工学校的教育教学水平，实现学校育人和行业发展、企业人才需求的“无缝对接”。
关键词：通用小型汽油机；振动；测试；振动烈度；项目建设；校企合作
1.前言
汽油发动机（Gasoline Engine ），是以汽油作为燃料的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油机的特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉， 运转平稳，使用维修方便。汽油机在汽车上，特别是小型汽车上大量使用，至今不衰。通用小型汽油机在我国定义为30KW以下，在欧美指功率小于19KW以下的小型发动机。它主要作为农林植保机械、小型农机具、园林机械、发电机组、建筑机械、舷外机械等的配套动力。由于通用小型汽油机体积小、重量轻、价格便宜、使用方便,所以在各种机具配套中占有重要位置。特别是在背负式机械之中,通用小型汽油机更是唯一的配套动力。通用小型汽油机一般为单缸机，少数为双缸或四缸机。
2.汽车发动机振动的原因分析
2.1 油气自燃
油气果然需要火花塞点燃，但是在高温、高压的环境中会使油气自燃。
2.2 燃油辛烷值过低
辛烷值是燃油抗振动的指标，其值越高，抗振动性越强。压缩比高的发动机，燃烧室的压力较高，若是使用抗振动性低的燃油，则容易发生振动。
2.3 发动机过度积碳
发动机在燃烧室内过度积碳，除了会使压缩比增大（产生高压），也会在积碳表面产生高温热门，使发动机振动。
2.4 空燃比不准确
过于稀的燃料空气混合比，会使燃料温度骤升，从而造成发动机温度晋升，则轻易发生振动。
2.5 点火角过于提前
为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立刻获得动力，通常都会在活塞达到上止点条件前点火（因为从点火到完全燃烧需要一段时间）。而过于提早的点火会使得活在还在压缩行程时，大部分汽油已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，从而引起振动。
3.通用小型汽油机结构和工作过程
3.1小型汽油机一般系统组成
（1）曲轴连杆系统包括活塞、连杆、曲轴、滚针轴承、油封等。
（2）机体系统包括缸盖、缸体、曲轴箱、消声器、防护罩等。
（3）燃油系统包括油箱、开关、滤网、积淀杯和化油器等。
（4）冷却系统包括冷却风扇、引风罩等。有些背负式喷雾喷粉机在大风机后蜗壳上开冷却口，由引风罩引出冷却气流，就不再需要单独的冷却叶轮。
（5）润滑系统二冲程汽油机采用汽油与润滑油组合的混合油润滑与供油系统合用。四冲程汽油机润滑与供油分开，曲轴箱配有润滑油油面尺。
（6）配气系统四冲程汽油机由进、排气门、摇臂、推杆、挺杆及凸轮轴等组成。二冲程汽油机没有进、排气门，而是在汽缸体上开有进气口、出气口和换气口，利用活塞上下运动来开启或关闭各气孔。
（7）启动系统有两种结构，一种是由启动绳和简单启动轮组成；另一种是回弹式启动结构，带有弹簧结合齿和防护罩等。
（8）点火系统包括磁电机、高压线、火花塞等。
3.2 小型汽油机工作过程
一个工作循环包括有四个活塞行程（所谓活塞行程就是指活塞由上止点到下止点之间的距离的过程）：进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程（做功冲程）和排气冲程。
4.小型汽油机振动测试
4.1 汽油机原始数据
汽油机质量：m1=33.58kg；平板及其附件质量：m2=173 kg；汽油机平板系统质量M=m1+m2=206.58 kg
测点距离R：200 mm；测点距离S：345 mm
平板宽B：700 mm；平板高H：28 mm
汽油机宽B'：395 mm；汽油机高H'：331.5 mm
汽油机形心至曲轴中心线距离L1：20mm；曲轴中心线至X轴距离L2：106 mm
（结构及尺寸见下页图1）
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图1：水平轴汽油机测试主视图和俯视图
4.2 测试条件
气压0.1018Mpa；气温23.5 ℃；湿度56.7%；工况：3600r/min。
4.3 测试设备及仪器
三向加速度传感器 CA-YD-116 扬州无线电二厂
电荷放大器 YE5858 扬州无线电二厂
转速表 SE-1100 上海转速表厂
数字示波器 TDS3034C Tektronix公司
测试仪器原理简介：加速度计由检测质量、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。电荷放大器作为传感元件把加速度信号转换为位移或速度的电信号，以供数字示波器输出。三向加速度传感器用以测试三个坐标的振动值。
4.4 相关计算、公式及弹簧介绍
4.4.1 系统转动惯量计算
转动惯量(Moment of Inertia)是刚体绕轴转动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度，用字母I或J表示。其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置。转动惯量的表达式为I=∑ mi*ri^2。
通过汽油机原始数据经过计算得：平板绕X轴转动惯量 I1x=m2/12*(B^2+H^2)=7075469 kgmm2;
汽油机绕曲轴中心线的转动惯量I2x0 =m1/12*( B'^2+ H'^2)+ m1*L1=744796.7 kgmm2;
汽油机平板系统绕X轴的转动惯量Ix = I1x + I2x0+m1*L2=7823826 kgmm2.
4.4.2 当量振动烈度
当量振动烈度是描述汽油机-平板系统振动状态的一个综合特性参数，用“VS”表示，作为振动评级的基础。其计算公式如下：
式中
VP——汽油机平板系统的平动振动速度，单位mm/s
Ω—汽油机平板系统的摆动角速度，单位1/s
m—即为原始数据中的m1
4.4.3．弹簧介绍
图2.弹簧在平板上的位置及其结构尺寸
5.测试数据采集、测试结果计算
测点不在汽油机上，而是选在平板的X、Y轴上，横纵坐标为S、R,以便加速度计CA-YD-116的测量。分别测试图一俯视图中四个测试点的X（横向）、Y（纵向）、Z（垂向）三个坐标方向的振动加速度值，测量三次，以速度的形式通过数字示波器输出，数据如表1所示。
表1
三次数据求平均值，分别算得：
V1x=5.86 , V1y=16.6, V1z=6.34；V2x=14.6 , V2y=12.2, V2z=2.09;
V3x=6.34 , V3y=19.5, V3z=4.95; V4x=4.49 , V4y=14.3, V4z=4.41
进而算得VP=17.8, Ω=0.012,
Vs1=M/m1=1948.2；
Vs2= Ix/m1=33.41;
则汽油机平板系统当量振动烈度Vs==44.51
根据表2的评定等级，可知等级为B级。
表2：小型汽油机振动品质的评定等级
6.总结
通过本次论文的研究，更让我意识到一体化教学改革中师资力量提升的重要性。一体化教师是理论扎实，技能精湛，能有效的将理论融入实践教学之中，能胜任本专业课程的理论与技能教学的双师型教师，具备一定的理论和实践能力，能独立指导学生完成相关领域的课题，能实现以项目为主线，教师为主导，学生为主体的教学模式。教师在完成正常教学之余，应多开发项目、课题、教学资源库等。这样不仅可以提升自身素质，还可以在潜移默化中让学生在生产实习中学中干，干中学，让他们养成主动学习和思考的习惯，让他们在越来越注重能力考核的技能考工中轻松过关。比如本课题的研究可以发散为机床的噪声控制和振动测试，让学生学会判别机床常见故障的方法，让他们在学校期间就养成良好的素养。在教学实践工作中，通过企业全真模拟实习训练让学生深入感受企业文化，熟悉企业生产流程和岗位技能要求。教师根据一体化教学的成效及时提出反馈意见并评价教学模式的合理性，以便进行教学大纲的适时调整。教师在确保正常教学模式的同时应多在教学创新和项目建设领域下功夫，培养学生的综合能力和素质，力争培养出大批现代企业所需要的复合型技能人才。
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