基于能量解耦的三缸發動機懸置系統優化設計

文章編號： 10069798（2022）01006405; DOI： 10.13306/j.10069798.2022.01.010

摘要：? 為了解決三缸發動機的振動噪聲問題，本文基于能量解耦的方法，對三缸發動機懸置系統進行優化設計，建立發動機六自由度數學模型，并以能量解耦為優化設計目標，以某款三缸發動機國產轎車為例，同時以發動機懸置系統的固有頻率和振動解耦為目標函數，對其進行發動機懸置系統優化設計。為驗證優化設計結果的正確性，將優化后的懸置剛度應用到原車型中，與優化前懸置件進行對比實驗。實驗結果表明，與優化前相比，優化后的動力總成懸置各向隔振率均有明顯提高，優化后的懸置隔振率大于20 dB，滿足隔振系統的設計要求。說明合理確定三缸發動機的懸置參數，能夠有效控制動力總成的振動向車內傳遞，改善了車輛系統的NVH性能。該研究對發動機懸置參數的優化設計具有重要意義。

關鍵詞：? 發動機懸置; 優化設計; 解耦; 三缸發動機; 怠速; 頻率布置

中圖分類號： U464文獻標識碼： A

隨著國家乘用車排放法規的進一步加強，小排量乘用車及基于小排量內燃機的混合動力乘用車得到了快速發展，導致乘用車越來越多地使用三缸發動機[1]（如汽油和柴油發動機）。對于三缸發動機，其點火激勵與廣泛使用的四缸發動機明顯不同，四缸發動機在怠速時只有2階激振力[2]，而三缸發動機同時具有1級和15級激振力，并且三缸發動機15主階次頻率比四缸發動機上的主階次低5 Hz以上[3]，其噪聲、振動、聲振粗糙度（noise、vibration、harshness，NVH）性能顯著降低，因此客觀上要求合理設計三缸發動機的懸置系統，以獲得最佳隔振效果。車輛動力總成懸置系統性能設計優劣，直接影響整車的NVH性能，懸置系統的設計目標是合理分配動力總成懸置系統的固有頻率，達到最優的隔振效果。目前，常用的動力總成懸置系統優化設計方法是通過對懸置系統各階模態進行能量解耦[45]，進而優化懸置的三向剛度，合理布置懸置的彈性中心位置和安裝角度，使動力總成懸置系統具有較高的振動解耦程度（主振動方向解耦率大于90%，其他方向解耦率大于80%），從而降低振動傳遞率，提高車輛的乘坐舒適性[67]。因此，本文以某款三缸發動機轎車為例，以發動機懸置系統的固有頻率和振動解耦為目標函數，并基于能量解耦的方法，對三缸發動機懸置系統進行優化設計[810]，優化后的動力總成懸置各向隔振率較優化前均有明顯提高，改善了車輛系統的NVH特性。該研究對三缸發動機的懸置設計具有指導意義。

1動力總成懸置系統數學模型

乘用車常用的懸置布置形式為3點支撐或4點支撐，鑒于乘用車一般采用四沖程內燃機[11]，本文以3點支撐懸置系統為例進行優化設計，發動機懸置系統的固有振動頻率低于25 Hz，遠低于發動機的最低階彈性模態頻率，忽略動力總成的彈性變形，將發動機總成和車身簡化為剛體，建立動力總成懸置系統六自由度振動系統模型，動力總成采用橡膠懸置與車身連接[12]。動力總成懸置系統模型如圖1所示。

根據圖1建立動力總成懸置系統分析模型，動力總成懸置系統質心坐標系定義如下：動力總成質心為動力總成坐標系的坐標原點，坐標系x軸正向為過動力總成質心且平行于發動機曲軸軸線，指向動力總成的

前端，z軸正向過質心平行于氣缸中心線，垂直向上，y軸正向過質心按右手定則確定。動力總成為一空間的六自由度剛體，動力總成質心廣義坐標向量為

基于拉格朗日方程的振動微分方程[13]為

式中，[M]為系統的質量矩陣（6×6對稱陣）;[K]為系統的剛度矩陣（6×6對稱陣）;[C]為系統的阻尼矩陣（6×6對稱陣）;和x為加速度和廣義坐標向量。

動力總成的慣性參數（質量、質心位置、轉動慣量）及動力總成懸置各向剛度可通過實驗獲得，通過求解振動微分方程，獲得系統六自由度固有頻率及振型。

2動力總成懸置系統優化設計

發動機懸置系統的基本功能是隔振和限位，客觀上要求動力總成懸置系統，低頻時應具有大剛度、大阻尼以限制其位移，高頻時應具有低剛度和小阻尼，以獲得優良的隔振效果。為了獲得較低的振動傳遞率，激振頻率與懸置系統指定方向上，固有頻率的比值應大于2，因此合理設計懸置系統的固有頻率是提高NVH性能的關鍵[1415]。

2.1動力總成懸置系統能量解耦分析

為了獲得最優隔振效果，懸置設計時，懸置系統沿某一廣義坐標的激勵只會引起系統一個自由度的振動（六個自由度完全解耦）。實際上，懸置系統各個方向的振動相互關聯，一個方向的激勵會引起多方向的振動（能量耦合），因此懸置設計人員需要對懸置系統進行解耦設計，常用的設計方法為能量解耦法。

在特定坐標系中，求出懸置系統各階主振動方向的振動能量分別所占振動總能量的百分比值，得到動力總成懸置系統振動的能量分布廣義矩陣。當動力總成懸置系統以第j階系統固有頻率振動時，與其關聯的第k個廣義坐標所占的能量[16]為

式中，φj為懸置系統的j階主振動振型;（φj）k為φj的第k個方向;mkl為質量矩陣第k行、第l列元素;DIPkj表示系統在作第j階固有頻率振動時，主振動方向所占的振動能量百分比，此值越大，系統解耦程度越高，系統各方向的振動關聯性越小。因此，動力總成懸置系統能量解耦目標函數為

式中，wi為對應于第i階頻率的加權因子。

2.2動力總成懸置系統固有頻率的布置

在怠速條件下，四缸四沖程發動機只有2階激振力，設計懸置系統時，只需避開其2階激振力即可滿足隔振設計要求[1718]。

1）懸置系統Z方向上固有頻率的配置。三缸發動機的激振力為1階次和15階次，并且激振頻率比四缸機低很多，以怠速750 r/min為例，四缸機2階激振力為25 Hz，三缸機1階激振力為125 Hz，15階激振力為1875 Hz，因此兼顧懸置系統的隔振效果和懸置系統的限位要求，三缸機懸置系統的垂向固有頻率應布置在1階和15階激振頻率之間

懸置系統Z方向固有振動頻率為

11 Hz≤fz≤16 Hz

2）懸置系統X方向上固有頻率的配置。動力總成懸置系統在X方向上沒有激勵力，考慮限位要求，應具有足夠的剛度，從而保證在汽車急加速及制動時，動力總成在此方向上不產生較大的位移量，避免與其他部件發生干涉。

懸置系統X方向上的固有振動頻率為

8 Hz≤fx≤17 Hz

3）懸置系統Y方向上固有振動頻率的配置。動力總成在Y方向上的振動有和繞X軸方向上的扭轉振動耦合的趨勢。因此，懸置系統的Y方向固有頻率既要考慮發動機繞X軸的激振頻率，同時還要兼顧汽車在轉彎工況時動力總成橫向位移的移動。

懸置系統在Y方向上的固有頻率為

8 Hz≤fy≤17 Hz

4）懸置系統繞Y軸固有頻率的配置。動力總成繞Y方向的扭轉振動與繞X方向的扭轉振動有耦合趨勢。懸置系統繞Y軸固有頻率的配置為

8 Hz≤fθy≤17 Hz

5）懸置系統繞X軸固有頻率的配置。動力總成懸置系統繞動力總成X軸的扭振頻率應低于動力總成怠速時二階激勵的1/2，同時大于白車身的扭轉自振固有頻率。懸置系統繞X軸固有頻率的配置為

6 Hz≤fθх≤15 Hz

6）懸置系統繞Z軸固有頻率的配置。發動機繞Z軸的振動和發動機繞X方向的扭轉振動有耦合趨勢。

懸置系統繞Z軸固有頻率的配置為

8 Hz≤fθz≤15 Hz

3懸置系統優化實例及實驗驗證

本文以某款三缸發動機國產轎車為例，以動力總成懸置系統的固有振動頻率和懸置系統振動解耦率為優化目標函數[19]，對該三缸發動機懸置系統進行系統振動優化設計。優化前后懸置三向剛度值如表1所示。

為驗證優化設計結果的正確性，將優化后的懸置剛度應用到原車型中，與優化前懸置件進行對比實驗，優化前懸置振動加速度幅值如圖2所示，優化后懸置振動加速度幅值如圖3所示。由圖2和圖3可以看出，優化后，動力總成懸置各向隔振率較優化前均有明顯提高，優化后的懸置隔振率大于20 dB，滿足隔振系統設計要求[2021]。

4結束語

動力總成懸置系統優化設計是提高車輛乘坐舒適性的關鍵。由于懸置系統性能優化涉及諸多因素，一直以來是車輛舒適性能設計的難點。本文以三缸發動機為例，并基于能量解耦理論對動力總成懸置各向剛度進行優化設計。實驗結果表明，優化后的懸置各向參數，改善了懸置系統的解耦率，進而提高了動力總成懸置系統的隔振率，從而改善了車輛系統的NVH特性。基于能量結構的優化設計方法，能夠有效提高動力總成懸置系統的隔振率和車輛乘坐舒適性。以往的動力總成懸置系統隔振設計只針對單一激振頻率，隔振效果不能滿足消費者對于車輛乘坐舒適性的要求，而本文對懸置系統的優化設計兼顧了三缸發動機1階和15階激振力，提高了懸置系統的綜合性能。該設計方法對三缸發動機的懸置設計具有指導意義。

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Optimal Design of Three Cylinder Engine Mounting System

Based on Energy DecouplingLIANG Tianye

（College of Biology Science， Jilin University， Changchun 130062， China）Abstract：? With the further strengthening of emission regulation for passenger cars， small emission plugin hybrid powertrain has been widely used in passenger cars. In order to solve the problem of vibration and noise of threecylinder engine， based on the energy decoupling method， the optimization design of threecylinder engine mounting system is carried out in this paper. The sixdegreeoffreedom （DOF） mathematical model of engine is established， the energy decoupling is taken as the optimization design objective， and vibration decoupling of the engine mounting system are taken as the objective functions， taking a domestic threecylinder engine as an example， the optimization design of the engine mounting system is carried out. At the same time， in order to verify the correctness of the optimized design results， the optimized mount stiffness is applied to the original model， and compared with the optimized front suspension parts. The experimental results show that the vibration isolation ratio of the optimized mount is higher than that of the optimized mount， and the optimized mount isolation ratio is more than 20db， which meets the design requirements of the vibration isolation system. It is shown that reasonable determination of the mounting parameters of the threecylinder engine can effectively control the Vibration transmission of the powertrain and improve the NVH （Noise， Vibration， Harshness） performance of the vehicle. This study is of great significance to the optimization design of engine mounting parameters.

Key words： engine mounting; optimization design; decoupling; threecylinder engine; idle speed; frequency arrangement

收稿日期： 20210614; 修回日期： 20210820

作者簡介：? 梁天也（1969），男，吉林長春人，博士，主要研究方向為車輛系統動力學與控制。 Email： lty691026@sina.com