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機車引擎連桿機構優化設計分析
  • 發布年度:2014
  • 主要類別:CAE技術
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 技術服務處 蔡起源

    引擎有如人體的心臟,是車輛動力的來源,其動力的產生是將燃油的化學能轉換為機械能,透過引擎內密閉的燃燒室進行空氣與燃油混合,點火後利用氣體瞬間膨脹所產生之爆炸力直接推動活塞,活塞再帶動連桿、曲柄軸等其他元件而輸出動力。圖1為活塞等機械元件之往複直線運動或旋轉運動。

    1. 活塞、連桿、曲柄運動情況

    由於活塞、連桿、曲柄軸等在往複運動的過程中,會不斷地加速與減速而產生不平衡的慣性力與慣性力矩,此不平衡力透過接觸面與連接點而傳遞至引擎本體,再透過引擎本體與車身連接點的力量傳遞而造成車身的振動。以一般單汽缸的機車引擎而言,不平衡力無法藉由多汽缸平衡的方式消減,因此必須朝降低往複運動元件不平衡力的方向來著手設計。

    由於引擎不平衡力的主要來源為活塞與連桿,因此,在設計上就需要找出適當的活塞與連桿的幾何形狀尺寸,使其除了能滿足剛性與強度的要求之外,也能同時減輕活塞與連桿的質量以及降低往複運動時的不平衡力。其中,活塞的尺寸及連桿長度因與引擎性能有極大關聯,難以隨意變動,連桿的斷面尺寸設計就顯得較有彈性,較輕的連桿不平衡力較小,曲柄的平衡配重相對較小,引擎的耗油量也會較低,因此,確保連桿強度並達到輕量化是連桿設計的一大課題。

    如何能確認所設計的連桿是否符合要求呢?除了實際試作出測試件執行測試外,運用CAE電腦模擬分析技術,可以在設計階段就依據設計資料,建立電腦數值分析模型,再以機構模擬分析軟體計算出連桿的運動特性。圖2為連桿的新與舊兩種斷面設計比較,圖3為連桿的應力變化以及兩種連桿設計的搖撼力比較,由圖可知,較輕的新設計連桿的搖撼力已有了明顯的改善。
     
    2. 新、舊連桿剖面尺寸比較

     

    3. 連桿應力變化與新、舊連桿搖撼力比較

    過大的引擎振動不僅降低引擎效率,也易使其他連接元件產生振動、噪音、不舒適感或加速零件老化損害,運用CAE模擬分析技術,不僅能清楚了解引擎連桿於運動過程中的受力大小與應力變化,也能進一步掌握其他元件的受力情況,進而改善設計與提升引擎效率,降低振動。

    若需進一步了解相關內容細節,歡迎聯絡ARTC工程分析中心蔡起源工程師(電話:04-7811222-3319;e-mail:chiyuan@artc.org.tw)

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