某乘用車三缸機懸置系統性能匹配

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；策略

前言

隨著國家對汽車排放要求的提升以及“藍天保衛戰”的推廣，小排量發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構優勢，成為當前汽車行業節能減排的發展方向之一。但是同樣由于其結構限制，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設計帶來了更大的挑戰。對于懸置系統而言，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，在懸置系統設計過程中要平衡兩方面的問題，進而得出一個較優解，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別，將發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

通過運動學方程，可得活塞位移量：

進一步對單一氣缸進行動力學分析，由發動機工作特性可知，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部實現平衡，不引起整機振動，故對懸置系統設計產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及動力學分析，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，懸置系統設計過程中，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，四缸機怠速轉速為750rpm，而三缸機怠速轉速為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設計難點所在。

此外，根據如圖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，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。

圖3 隔振系統傳遞率曲線

2 三缸機懸置系統設計策略

為了匹配三缸機特性，懸置系統設計不能完全按照四缸機設計思路進行。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，但又要避免整車共振，可考慮將Roll或Yaw模態控制在14.3Hz～16Hz之間。

3 設計分析

以某車型懸置系統設計為例說明如下。

動力總成參數如下表2所示。

表2 動力總成參數

通過對懸置系統參數多輪優化，最終確定懸置位置及剛度參數如表3和表4所示。

表3 優化后懸置位置

表4 優化后懸置剛度

根據能量解耦法[4]，計算的優化后的能量分布如表5所示。

表5 優化后能量分布

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

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

圖5 怠速工況下座椅導軌振動頻譜圖

圖6 怠速工況下換擋桿振動頻譜圖

由測試結果可以看出：（1）開、關空調工況下，方向盤各向振動均低于0.04g；（2）開、關空調下座椅導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，能夠滿足設計要求。

針對升速過程中懸置隔振性能測試結果如圖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 結論

文章主要針對三缸機與四缸機性能區別及三缸機懸置系統性能匹配提出了一些設計建議。從實車測試結果來看，能夠滿足整車需求。通過前期設計優化，可規避三缸機懸置系統可能出現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生的費用。

[1] 韓全友,廖武等.某三缸發動機懸置的優化設計[J].客車技術與研究,2012（5）:10-12.

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

[3] 周龍保.內燃機學[M].北京:機械工業出版社,1999.

[4] 徐石安.汽車發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，底盤設計工程師，主要從事乘用車懸置系統的設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.035