基于ADAMS的某三缸發動機懸置優化設計

楊樹國

摘要：分析直列三缸發動機的主要激勵，得到發動機的激勵力矩計算公式;研究三缸發動機的平衡策略;建立三缸發動機的懸置系統模型并對系統的6階固有頻率進行分析，結合整車的實際表現對懸置設計方案進行了有效驗證。

關鍵詞：三缸發動機;扭矩軸;解耦設計

前言

隨著國家燃油經濟性法規的不斷加嚴，國內各主機廠陸續開發出小型化、高功率的高效三缸發動機。由于三缸發動機的天然特性，其1階慣性力矩不能自平衡;同時三缸機單缸爆發壓力大，且點火間隔大，轉速波動大;因此發動機產生的振動較大，經懸置傳遞到車內的振動也較大，顧客的主觀感受較差。三缸發動機的振動不平衡對懸置設計提出了極大的挑戰。

三缸機的不平衡

本文對坐標系的定義如下：從車頭指向車尾水平方向定義為X軸正向，從駕駛位指向副駕駛水平方向定義為Y軸正向，Z軸根據右手定則確定。

曲柄連桿機構中的活塞組件做往復直線運動，曲軸做旋轉運動，連桿小頭隨活塞做往復直線運動，連桿大頭隨曲軸做旋轉運動。分別對往復質量及旋轉質量產生的力、力矩加以分析。

對于往復質量的運動可以簡化成圖1。

已知三缸機的點火間隔角為240°，當1缸位于上止點時，其θ₁=0，二缸的曲軸轉角θ₂=240，三缸的曲軸轉角θ₃=120，分別帶入公式2，可得一階往復慣性力的合力∑F_jI=0;其二階往復慣性力的合力∑F_jII=0。

同求往復慣性力的方法，可得往復慣性力矩的合力矩：

上式中的往復慣性力矩∑M_j包括一階往復慣性合力矩和二階往復慣性合力矩兩部分。

接下來分析旋轉慣性力及力矩。

三缸發動機的旋轉慣性力∑F_r=0;

旋轉慣性力矩：

∑M_r=|M_r1+ M_r2+ M_r3|=|F_r·2a+ F_r·a+ 0|=·F_r·a公式4

綜上，三缸發動機受到的合力為零，往復慣性力矩和旋轉慣性力矩不為零。

發動機的平衡策略

根據前文分析，不能自平衡的慣性力矩并不能通過在曲軸上設置平衡重而消除。若要徹底消除慣性力矩，只能增加平衡軸。增加平衡軸后，必然會引起整機成本的上升以及發動機油耗的增加。本文中的發動機通過合理的平衡策略（B）設計達到了較為滿意的NVH水平。

往復慣性力矩及旋轉慣性力矩的不平衡最終作用在發動機上，表現為Roll以及Yaw方向的激勵。Roll引起的是整車Z方向的振動，Yaw引起的是整車X向的振動，因此我們更希望抑制Roll引起的振動。

發動機基本參數：動力總成質量192Kg，轉動慣量（Kg.m²）：Ixx 11.83，Iyy 6.71，Izz 10.53，Ixy 0.91，Ixz -0.13，Iyz -2.26。

在Adams中建立模型，采用TRA三點懸置布置，輸入三個懸置的設計剛度，運行仿真，得到懸置的6階模態及能量解耦率，如表2：

怠速工況下，1.5階隔振結果見表3：

結語

從整車NVH性能表現看，三缸機相比于四缸機在激勵幅值及激勵種類上更加復雜，且單缸的爆發壓力明顯增大。

1、三缸發動機增加平衡軸可徹底消除不平衡力矩，但也可在不增加發動機油耗的前提下，通過合理設計平衡策略，再加上懸置的合理設計，使整車的表現處于可接受的范圍內。

2、通過降低懸置X向剛度，可以優化整車的振動。

參考文獻

[1] 朱廉潔 劉曉偉等，三缸發動機整車怠速振動性能研究 10.3969/j.issn.1006-1335.2015.06.026

（作者單位：中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）