李龍晶，柴康杰

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某乘用車(chē)三缸機(jī)懸置系統(tǒng)性能匹配

李龍晶，柴康杰

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對(duì)三缸機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中整車(chē)振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，通過(guò)三缸機(jī)與四缸機(jī)性能對(duì)比，提出了三缸機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)，并通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試方式對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

三缸機(jī)；懸置系統(tǒng)；策略

前言

隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)排放要求的提升以及“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的推廣，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)成為了各個(gè)主機(jī)廠(chǎng)研究的重要對(duì)象之一，其中三缸機(jī)由于其本身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前汽車(chē)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(jī)和四缸機(jī)相比，其輸出的慣性力及力矩不平衡以及點(diǎn)火頻率低等問(wèn)題給懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。對(duì)于懸置系統(tǒng)而言，一方面要限制動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)，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(jì)過(guò)程中要平衡兩方面的問(wèn)題，進(jìn)而得出一個(gè)較優(yōu)解，以滿(mǎn)足整車(chē)需求[1][2]。

1 三缸機(jī)振動(dòng)特性

為了了解三缸機(jī)與四缸機(jī)振動(dòng)特性區(qū)別，將發(fā)動(dòng)機(jī)單一氣缸模型簡(jiǎn)化為如圖1所示。其中，A1為上止點(diǎn)，A2為下止點(diǎn)，S為行程，β為連桿擺角，ɑ為曲柄擺角，L為連桿長(zhǎng)度，R為曲柄長(zhǎng)度，x為活塞位移，ω為連桿擺動(dòng)角速度。

圖1 單一氣缸模型

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可得活塞位移量：

進(jìn)一步對(duì)單一氣缸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，由發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)平衡，不引起整機(jī)振動(dòng)，故對(duì)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)圖如圖2所示。針對(duì)單一氣缸具體動(dòng)力學(xué)分析可參考文獻(xiàn)[3]。

圖2 單一氣缸受力簡(jiǎn)圖

通過(guò)對(duì)單一氣缸運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)力的合成，可得四沖程式三缸機(jī)與四缸機(jī)特性對(duì)比如表1所示。

表1 四沖程三缸機(jī)與四缸機(jī)特性對(duì)比

由此表可知，四缸機(jī)振動(dòng)不平衡主要體現(xiàn)為二階不平衡，而三缸機(jī)除了二階外，還有一階不平衡力矩，因此，懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要考慮二階避頻問(wèn)題外，還要考慮一階避頻。以一般車(chē)型為例，四缸機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750rpm，而三缸機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為800rpm，四缸機(jī)需要考慮的二階頻率為25Hz，三缸機(jī)需要考慮的一階頻率為13.3Hz。三缸機(jī)一階頻率較低且一階不平衡正是懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)所在。

此外，根據(jù)如圖3所示的隔振曲線(xiàn)，對(duì)于三缸機(jī)而言，Pitch和Bounce頻率要小于1.5階激勵(lì)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(duì)于四缸機(jī)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(xiàn)

2 三缸機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

為了匹配三缸機(jī)特性，懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能完全按照四缸機(jī)設(shè)計(jì)思路進(jìn)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(lì)頻率的1/2，即10Hz；

（2）避開(kāi)一階頻率，即13.3Hz，避免共振；

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

3 設(shè)計(jì)分析

以某車(chē)型懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例說(shuō)明如下。

動(dòng)力總成參數(shù)如下表2所示。

表2 動(dòng)力總成參數(shù)

通過(guò)對(duì)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(jì)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證懸置系統(tǒng)匹配合理性，對(duì)整車(chē)進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試。主要從方向盤(pán)、座椅導(dǎo)軌及選換擋手柄振動(dòng)情況進(jìn)行分析。測(cè)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(dòng)頻譜圖

圖6 怠速工況下?lián)Q擋桿振動(dòng)頻譜圖

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

針對(duì)升速過(guò)程中懸置隔振性能測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 升速工況懸置隔振曲線(xiàn)

升速工況下，懸置隔振性能良好。

5 結(jié)論

文章主要針對(duì)三缸機(jī)與四缸機(jī)性能區(qū)別及三缸機(jī)懸置系統(tǒng)性能匹配提出了一些設(shè)計(jì)建議。從實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，能夠滿(mǎn)足整車(chē)需求。通過(guò)前期設(shè)計(jì)優(yōu)化，可規(guī)避三缸機(jī)懸置系統(tǒng)可能出現(xiàn)的隔振差或共振問(wèn)題，有利于整車(chē)項(xiàng)目的推進(jìn)并避免后期整改產(chǎn)生的費(fèi)用。

[1] 韓全友,廖武等.某三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].客車(chē)技術(shù)與研究,2012（5）:10-12.

[2] 龐劍,諶剛等.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)——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(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[4] 徐石安.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)彈性支撐隔振的解耦方法[J].汽車(chē)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(pán)設(shè)計(jì)工程師，主要從事乘用車(chē)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.035