三缸發動機懸置系統設計方法的研究

劉曉昂　上官文斌　呂兆平

摘要：以直列三缸發動機為研究對象，分析了曲柄連桿機構的旋轉慣性力、往復慣性力及缸內氣體壓力對缸體產生的不平衡力和力矩，并與四缸、六缸發動機受到的不平衡力和力矩進行對比。分析了三缸機的幾種常見平衡方法（曲軸加平衡重、一階平衡軸機構和二階平衡軸機構）下，作用于缸體上的不平衡力和力矩。在三種典型的平衡方式（完全不平衡，50%平衡和完全平衡）下，計算并對比了每種情況下缸體受到的不平衡力矩和懸置的動反力。建立了三缸發動機懸置系統固有頻率、能量分布及懸置動反力的設計要求，提出了三缸發動機懸置系統的優化設計方法。給出一計算實例，對懸置的剛度進行優化設計，表明了所建立的方法的有效性。

關鍵詞：動力總成；設計方法；三缸發動機；懸置剛度和阻尼的優化

引言

隨著汽車節能減排要求日漸提高，三缸發動機在工業界的應用越來越廣泛。由于三缸發動機的平衡性較差，致使發動機產生較大的振動，因此，經懸置傳遞到車內的振動也較大。同時，由于三缸發動機的激振頻率較低，為了得到更好的隔振效果，要求動力總成懸置系統的剛體模態頻率較低。減少三缸發動機振動對汽車振動的方法有兩種，一是通過在三缸發動機中加平衡機構，減少曲柄連桿機構的往復慣性力和旋轉慣性力對發動機缸體的不平衡力和力矩，二是通過懸置系統的設計，減少由于缸體的不平衡力和力矩而傳遞到車身的力。采用較復雜的平衡方式，會增加三缸發動機的油耗，從而失去了三缸發動機開發的目的。目前工業界更希望的是采用簡單的平衡方式（曲軸平衡方式），通過懸置系統設計，隔離與減少三缸發動機的激振力和力矩傳遞到車身的力。

在四缸發動機懸置系統設計中，忽略車身的彈性，假定懸置的一端與動力總成連接，一端與剛性地面連接。通過對動力總成固有頻率和能量分布的要求，優化得到懸置在其局部坐標系下線性段的剛度、懸置安裝位置和安裝角度。根據對動力總成質心的位移控制要求，確定懸置在其局部坐標系下非線性段的剛度及拐點的坐標。在三缸發動機懸置系統的設計中，由于平衡方式的不一樣，發動機缸體受到的不平衡力和力矩不一樣，如何通過懸置系統的設計，減少由于發動機的不平衡傳遞到車身的力，是具有三缸發動機的動力總成懸置系統的設計難點之一。

目前在三缸發動機平衡性的研究工作中，常采用曲軸或平衡軸加平衡重的方式，以減小發動機缸體受到的不平衡力，從而減小發動機的振動。在三缸發動機懸置系統的設計中，一般將三點懸置系統中的后懸置改為防扭拉桿，左、右懸置靠近扭矩軸布置，或調整懸置的安裝角度，可以使動力總成繞曲軸方向的固有頻率避開發動機怠速時1.5階的激勵頻率，有助于降低車內的振動。

在目前的動力總成懸置系統的研究工作中，針對三缸發動機懸置系統設計的研究較少。本文以三缸發動機的平衡方式和其懸置系統的設計為分析對象，開展了以下工作：

（1）分析了曲柄連桿機構的旋轉慣性力和活塞組的往復慣性力對其缸體的不平衡力和力矩，并與四缸、六缸發動機缸體受到的不平衡力和力矩進行對比；給出了發動機缸體在不采用平衡機構，和采用不同類型的平衡方式時（曲軸平衡機構、一階平衡軸機構、二階平衡軸機構），發動機缸體受到的不平衡力和力矩的表達式。

（2）提出了三缸發動機懸置系統的設計思想與計算方法：提出了三缸發動機懸置系統設計中對動力總成固有頻率、能量分布及最小化懸置動反力的設計要求，提出了具有三缸發動機的動力總成懸置系統中橡膠懸置與液阻懸置剛度優化方法；

（3）給出了一計算實例，以各懸置在局部坐標系下剛度為設計變量，采用遺傳算法和序列二次規劃法相結合的算法，得到各剛度的最優值。計算結果表明，優化后的懸置系統，動力總成的固有頻率和能量分布滿足指定要求，且優化后采用50%平衡方式時，懸置的動反力小于優化前完全平衡情況下懸置的動反力。為降低發動機在低轉速范圍內懸置的動反力，重新設計左、右懸置的動態特性，將橡膠懸置更換為液阻懸置后，懸置的動反力得到明顯降低。

本論文針對具有三缸發動機的動力總成懸置的設計理論與建模方法，對目前工業界廣泛應用具有渦輪增壓的三缸發動機懸置系統的設計具有參考意義。