吕浚潮 熊敏强 江 华
(浙江春风动力股份有限公司）
摘要：本文首先阐述了当今摩托车在起动特性上的发展趋势，提出了设计起动减压机构的必要性。然后阐述了起动减压机构的工作原理，给出了起动减压机构的设计要点：主要包含减压相位角、减压凸台高度、减压工作转速等内容。接着详细推导了三种起动减压机构（包括拉簧蹄块式减压阀、扭簧离心式减压阀，停机式减压阀等）各参数间的运动学关系，然后引入弹簧载荷、离心快质量，通过动力学方程，求得所能起作用的转速，同时指出可通过改变几何参数或弹簧载荷、离心块质量及质心位置，可优化减压机构的工作转速。接着指出了各种减压机构的优缺点及适用的场合。最后给出了一款发动机减压机构的计算实例，比较了不带减压阀与不带减压阀起动压力的差别，证明了减压阀设计流程及计算结果的准确性。
关键词：摩托车 发动机 减压机构 起动
The Research on the Principle of Engine Starting Pressure-reducing Mechanism and Computing Realization
Lv Junchao Xiong Minqiang Jiang Hua
(Zhejiang Chunfeng Power Co., Ltd.)
Abstract: This article firstly expounds the current development trend of the starting characteristics of motorcycles, and puts forward the necessity of designing the starting pressure reducing mechanism. It explains the working principle of the starting pressure reducing mechanism and the key design points of the starting pressure reducing mechanism are given: It mainly includes the designs of pressure reducing phase angle, the height of the pressure reducing boss, and the working speed of the pressure reducing. Then it deduces the kinematics relationship among the parameters of the three starting pressure reducing mechanisms (including tension spring shoe type pressure reducing valve, torsion spring centrifugal pressure reducing valve, and stop type pressure reducing valve etc.). And then it indicates that the effective working speed can be get through the dynamic equation. And working speed can be optimized through changing the geometric parameters or spring load, the mass of the centrifugal block and the position of the center of mass. Then it points out the advantages and disadvantages of various press mechanisms and applicable occasions. Finally, a calculation example of an engine pressure reducing mechanism is given. It compares the difference between the starting pressures without pressure reducing valve and with pressure reducing valve, and proves the accuracy of the pressure reducing valve design process and calculation results.
Key words: Motorcycle Engine Pressure reduction mechanism Starting
随着摩托车轻量化的要求越来越高，相同排量摩托车发动机的质量逐渐变小，体积越来越紧凑。最明显的是发动机起动电机的体积和转矩逐渐变小。同时，发动机升功率的要求越来越高，迫使发动机的压缩比越来越大（即压缩上止点的缸压越来越大）。但为了实现停机起动性能，势必要通过其它措施来减小起动缸压，从而减小起动电机的起动阻力。因此目前起动减压机构的设计显得尤为重要。
目前，市场上摩托车发动机起动减压机构按结构特点主要可分为单步式减压机构和连续式减压机构。其中连续式减压机构根据离心块的复位结构又可分拉簧式和扭簧式两种。本文分别阐述了上述起动减压机构的工作原理、设计要点，分别推导了述三种减压机构的内在逻辑关系，给出了各自的计算方法和评价指标，为结构设计提供理论基础和定量校核分析。
1 减压机构工作原理
为了减小发动机起动过程中的作用力或作用转矩，当发动机处于压缩行程时，在气门与凸轮或挺柱与凸轮之间增加了一个凸台，使进气门或排气门不能完全关闭，使缸内一部分气体被排出气缸，减小了压缩过程中的气体压力，实现了减小起动阻力的目的。
2 减压机构的设计要点
发动机起动减压机构设计的核心是：减压阀起作用的曲轴相位角度、减压凸台的高度及起作用时的发动机转速。
减压相位角：通过调整减压凸轮与上止点之间的空间角度（提前角），使压缩过程中减压机构工作前与压缩终点时气体压力产生的阻力矩相差不多。这样起动电机所需要的最大起动转矩最小。
减压凸台高度：通过调整减压凸台的高度，调整实际气体压力，使之达到一个合适值。起动过程中，若缸内压力太大，则减压机构的作用不能充分发挥；如缸内压力太小，则起动可靠性低。
减压工作转速：减压机构在起动过程中（怠速转速以下）均为工作状态，但只要缸内点燃，发动机转速上升到怠速转速，减压阀就必须停止工作。
3 拉簧蹄块式减压机构设计计算
拉簧蹄块式减压机构的基本结构如下图1：主要由离心蹄块、减压凸轮、预紧回位弹簧、固定支架等组成。
结构工作原理：在怠速转速以下时，离心蹄块在回位弹簧预紧力的作用下，没有被甩开，利用减压凸轮顶起挺柱或气门，导致气门在某一凸轮转角位置小升程开启，卸掉缸内一部分气体（但又要保证活塞到上止点后，缸内气体压力达到能够实现燃烧的最低要求），这样活塞在压缩行程阻力不至于过大，从而
减小电机驱动转矩。当到达上至点后，燃烧室燃烧爆发，转速迅速提高，离心蹄块甩开，减压凸轮停止工作，此过程实现了减压起动的目的。
拉簧蹄块式减压阀主要参数如下：
几何参数：L0、L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、α1、α2、α3（各个参数代表的具体结构尺寸如图1）, 其中A 点是凸轮轴的旋转中心，B点是蹄块初始位置的质心，C 点是拉簧与蹄块的作用点，D点是蹄块的旋转中心。α1为L2与L1的夹角、α2为L3与L1的夹角、α3为L5与L1的夹角。L6与L4垂直，L7与R垂直。L0为弹簧的初始长度。已知发动机怠速转速2n、回位弹簧刚度k、离心蹄块质量m。
先求得以下几何参数：
（1
）
（2）
（3）
（4）然后求得质量块的离心力和离心力矩
：
（5）
（6）继而求得弹簧拉力产生力矩：M2=kL6(L4－L0)，其中k为拉簧的刚度。
再由力矩平衡M1=M2，推得蹄块甩开转速
：
最后通过调整L0、L1、L2、k、m、R等参数，可得到一个合理的转速n，使得2n小于发动机怠速转速，但大于发动机起动转速（4冲程发动机转速是凸轮轴转速的50%）。
4 扭簧离心式减压机构受力计算
这种结构和拉簧蹄块式结构相比，除了把拉簧改成扭
L 3
L 4
L 1
L 2a 1
F
x
y
C
B
A
D
1图2 扭簧蹄块式减压阀
图1 拉簧蹄块式减压阀的结构原理图
固定支架
离心蹄块
减压凸轮
回位弹簧
F
C
B
R
D
G
A
F
E
L 3
L 4
L 6L 5
F 2
发动机凸轮轴L 7
L 1
L 2a 2a 3
a 1
簧外，其它结构工作原理一致。
已知几何参数L 1、L 3、α1，各个参数代表的具体结构尺寸如图2，其中蹄块质量m ，扭簧的初始预紧转矩为M 0（由于扭簧刚度很小，因此蹄块在甩开过程中扭簧转矩变化不大，本文设为一个常值），凸轮轴转速n ，A 点是蹄块的旋转中心，B 点是凸轮轴的旋转中心，C 点是蹄块初始位置的质心，D 点是蹄块离心力作用线到蹄块旋转中心的垂线的垂足。
先求得以下几何参数：
然后求得离心力：F =mL 2(2πn /60)
2
然后由力矩相等得：M 0=FL 4=mL 2(2πn /60)2
L 4继而求得甩开转速：
最后通过调整L 1、L 3、M 0、m 等参数，可得到一个合理的转速n ，使得2n 小于发动机怠速转速，但大于发动机起动转速。
5 单步式减压机构
单步式减压机构的基本结构如下图，主要有基本支架、单向离合器、减压部件等组成。
停机式减压机构工作过程：快停机时，发动机活塞无法冲过压缩上止点，在气缸内高压气体作用下会倒转一定的角度，减压支架在单向离合器的作用下随凸轮一起转过一定角度，从而使减压凸台能顶起摇臂（摇臂顶起气门，
使气门开启一定的角度卸除缸内气压），达到为下次起动加压的目的。
发动机停机时，凸轮反转角度（以压缩上止点为起始角）α1～α2（一个变化不大的范围，可实验获得），减
图3 停机式减压阀
减压凸台
限位凸台
单向离合器
压凸台和摇臂的作用角度区间可设计为α3～α4，但要满足：α3＜α1、α4＞α2。
6 两种不同工作原理减压机构的特点
离心蹄块式减压机构在气缸没燃烧前，每转一圈作用一次（相当于持续作用），作用与否由工作转速决定，适合于电起动发动机。
单步式减压机构只有停机后下次起动的第一转时起作用，适合脚起动，不能用于电起动，但是结构相对简单。
7 实例
一款发动机，缸径72mm ，行程61mm ，压缩比12，发动机带与带减压机构的起动缸压实测见图4，其中横坐标为曲轴转角（deg ），纵坐标为压力（bar ）。
由图4可知，同一款发动机增加减压机构后，起动压力可以减小一半，可以大大减小起动阻力。
通过本文可以掌握减压机构的工作原理、设计要点、计算方法，为减压机构的设计提供理论基础和技术指导。
发动机不带减压机构发动机带减压机构
2
64100500300700200600400800
810141216图4 发动机不带与带减压机构的起动压力对比
且本文对减压机构全部采用了参数化，具有计算、优化速度快，计算结果一致性好、可靠性高等特点，极大的方便了减压机构的开发和发动机起动性能的提升。
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