機車引擎連桿機構優化設計分析

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機車引擎連桿機構優化設計分析

2014 / 09 / 12

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。

圖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。