某乘用車三缸機懸置系統(tǒng)性能匹配

李龍晶，柴康杰

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某乘用車三缸機懸置系統(tǒng)性能匹配

李龍晶，柴康杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對三缸機設(shè)計過程中整車振動過大問題，通過三缸機與四缸機性能對比，提出了三缸機設(shè)計過程中的一些注意事項，并通過實車測試方式對其進行了驗證。

三缸機；懸置系統(tǒng)；策略

前言

隨著國家對汽車排放要求的提升以及“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的推廣，小排量發(fā)動機成為了各個主機廠研究的重要對象之一，其中三缸機由于其本身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，成為當(dāng)前汽車行業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展方向之一。但是同樣由于其結(jié)構(gòu)限制，三缸機和四缸機相比，其輸出的慣性力及力矩不平衡以及點火頻率低等問題給懸置系統(tǒng)設(shè)計帶來了更大的挑戰(zhàn)。對于懸置系統(tǒng)而言，一方面要限制動力總成運動，即要求較高的剛度；另一方面又要求具有較好的隔振性能，即要求剛度較低。因此，在懸置系統(tǒng)設(shè)計過程中要平衡兩方面的問題，進而得出一個較優(yōu)解，以滿足整車需求[1][2]。

1 三缸機振動特性

為了了解三缸機與四缸機振動特性區(qū)別，將發(fā)動機單一氣缸模型簡化為如圖1所示。其中，A1為上止點，A2為下止點，S為行程，β為連桿擺角，ɑ為曲柄擺角，L為連桿長度，R為曲柄長度，x為活塞位移，ω為連桿擺動角速度。

圖1 單一氣缸模型

通過運動學(xué)方程，可得活塞位移量：

進一步對單一氣缸進行動力學(xué)分析，由發(fā)動機工作特性可知，其主要受力可分為三部分：氣體作用力、慣性力、外界反作用力。而氣體作用力及外界反作用力主要在機體內(nèi)部實現(xiàn)平衡，不引起整機振動，故對懸置系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生影響的主要是慣性力及由此引起的慣性力矩。單一氣缸受力簡圖如圖2所示。針對單一氣缸具體動力學(xué)分析可參考文獻[3]。

圖2 單一氣缸受力簡圖

通過對單一氣缸運動學(xué)及動力學(xué)分析，通過力的合成，可得四沖程式三缸機與四缸機特性對比如表1所示。

表1 四沖程三缸機與四缸機特性對比

由此表可知，四缸機振動不平衡主要體現(xiàn)為二階不平衡，而三缸機除了二階外，還有一階不平衡力矩，因此，懸置系統(tǒng)設(shè)計過程中，除了要考慮二階避頻問題外，還要考慮一階避頻。以一般車型為例，四缸機怠速轉(zhuǎn)速為750rpm，而三缸機怠速轉(zhuǎn)速為800rpm，四缸機需要考慮的二階頻率為25Hz，三缸機需要考慮的一階頻率為13.3Hz。三缸機一階頻率較低且一階不平衡正是懸置系統(tǒng)設(shè)計難點所在。

此外，根據(jù)如圖3所示的隔振曲線，對于三缸機而言，Pitch和Bounce頻率要小于1.5階激勵頻率的1/2，即10Hz。其他方向頻率要處于隔振區(qū)，即小于14.3Hz。而對于四缸機而言，頻率小于17.6Hz即處于隔振區(qū)。

圖3 隔振系統(tǒng)傳遞率曲線

2 三缸機懸置系統(tǒng)設(shè)計策略

為了匹配三缸機特性，懸置系統(tǒng)設(shè)計不能完全按照四缸機設(shè)計思路進行。主要考慮以下幾方面。

（1）Pitch和Bounce頻率要小于等于1.5階激勵頻率的1/2，即10Hz；

（2）避開一階頻率，即13.3Hz，避免共振；

（3）由于三缸機難以將所有方向頻率都控制在隔振區(qū)，但又要避免整車共振，可考慮將Roll或Yaw模態(tài)控制在14.3Hz～16Hz之間。

3 設(shè)計分析

以某車型懸置系統(tǒng)設(shè)計為例說明如下。

動力總成參數(shù)如下表2所示。

表2 動力總成參數(shù)

通過對懸置系統(tǒng)參數(shù)多輪優(yōu)化，最終確定懸置位置及剛度參數(shù)如表3和表4所示。

表3 優(yōu)化后懸置位置

表4 優(yōu)化后懸置剛度

根據(jù)能量解耦法[4]，計算的優(yōu)化后的能量分布如表5所示。

表5 優(yōu)化后能量分布

從解耦角度看，主方向（Z和Ry）解耦均大于90%，其他方向大于80%，能夠滿足設(shè)計要求。

此外，Z和Ry頻率滿足小于等于10Hz要求，除Rx外，其他滿足小于等于14.3Hz，且滿足避開一階13.3Hz要求。

4 試驗驗證

為驗證懸置系統(tǒng)匹配合理性，對整車進行了相關(guān)性能測試。主要從方向盤、座椅導(dǎo)軌及選換擋手柄振動情況進行分析。測試結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖5 怠速工況下座椅導(dǎo)軌振動頻譜圖

圖6 怠速工況下?lián)Q擋桿振動頻譜圖

由測試結(jié)果可以看出：（1）開、關(guān)空調(diào)工況下，方向盤各向振動均低于0.04g；（2）開、關(guān)空調(diào)下座椅導(dǎo)軌各向的振動均低于0.01g；（3）換擋桿各向振動均低于0.04g。主觀感受良好，能夠滿足設(shè)計要求。

針對升速過程中懸置隔振性能測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 升速工況懸置隔振曲線

升速工況下，懸置隔振性能良好。

5 結(jié)論

文章主要針對三缸機與四缸機性能區(qū)別及三缸機懸置系統(tǒng)性能匹配提出了一些設(shè)計建議。從實車測試結(jié)果來看，能夠滿足整車需求。通過前期設(shè)計優(yōu)化，可規(guī)避三缸機懸置系統(tǒng)可能出現(xiàn)的隔振差或共振問題，有利于整車項目的推進并避免后期整改產(chǎn)生的費用。

[1] 韓全友,廖武等.某三缸發(fā)動機懸置的優(yōu)化設(shè)計[J].客車技術(shù)與研究,2012（5）:10-12.

[2] 龐劍,諶剛等.汽車噪聲與振動——理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2013.

[3] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[4] 徐石安.汽車發(fā)動機彈性支撐隔振的解耦方法[J].汽車工程,1995（17）:198-204.

Performance Matching of One Three-cylinder Engine Mounting System

Li Longjing, Chai Kangjie

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

According to the problem of excessive vibration of three-cylinder, comparison of three-cylinder and four-cylinder, proposed some suggestion of performance matching of three-cylinder engine mounting system. And verify it throw vehicle test.

three-cylinder; mounting system; strategy

A

1671-7988(2018)22-101-03

U462

A

1671-7988(2018)22-101-03

U462

李龍晶（1986-），男，底盤設(shè)計工程師，主要從事乘用車懸置系統(tǒng)的設(shè)計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.035