某乘用车三缸机悬置系统性能匹配

李龙晶，柴康杰



某乘用车三缸机悬置系统性能匹配

李龙晶，柴康杰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

针对三缸机设计过程中整车振动过大问题，通过三缸机与四缸机性能对比，提出了三缸机设计过程中的一些注意事项，并通过实车测试方式对其进行了验证。

三缸机；悬置系统；策略

前言

随着国家对汽车排放要求的提升以及“蓝天保卫战”的推广，小排量发动机成为了各个主机厂研究的重要对象之一，其中三缸机由于其本身结构优势，成为当前汽车行业节能减排的发展方向之一。但是同样由于其结构限制，三缸机和四缸机相比，其输出的惯性力及力矩不平衡以及点火频率低等问题给悬置系统设计带来了更大的挑战。对于悬置系统而言，一方面要限制动力总成运动，即要求较高的刚度；另一方面又要求具有较好的隔振性能，即要求刚度较低。因此，在悬置系统设计过程中要平衡两方面的问题，进而得出一个较优解，以满足整车需求[1][2]。

1 三缸机振动特性

为了了解三缸机与四缸机振动特性区别，将发动机单一气缸模型简化为如图1所示。其中，A1为上止点，A2为下止点，S为行程，β为连杆摆角，ɑ为曲柄摆角，L为连杆长度，R为曲柄长度，x为活塞位移，ω为连杆摆动角速度。

图1 单一气缸模型

通过运动学方程，可得活塞位移量：

进一步对单一气缸进行动力学分析，由发动机工作特性可知，其主要受力可分为三部分：气体作用力、惯性力、外界反作用力。而气体作用力及外界反作用力主要在机体内部实现平衡，不引起整机振动，故对悬置系统设计产生影响的主要是惯性力及由此引起的惯性力矩。单一气缸受力简图如图2所示。针对单一气缸具体动力学分析可参考文献[3]。

图2 单一气缸受力简图

通过对单一气缸运动学及动力学分析，通过力的合成，可得四冲程式三缸机与四缸机特性对比如表1所示。

表1 四冲程三缸机与四缸机特性对比

由此表可知，四缸机振动不平衡主要体现为二阶不平衡，而三缸机除了二阶外，还有一阶不平衡力矩，因此，悬置系统设计过程中，除了要考虑二阶避频问题外，还要考虑一阶避频。以一般车型为例，四缸机怠速转速为750rpm，而三缸机怠速转速为800rpm，四缸机需要考虑的二阶频率为25Hz，三缸机需要考虑的一阶频率为13.3Hz。三缸机一阶频率较低且一阶不平衡正是悬置系统设计难点所在。

此外，根据如图3所示的隔振曲线，对于三缸机而言，Pitch和Bounce频率要小于1.5阶激励频率的1/2，即10Hz。其他方向频率要处于隔振区，即小于14.3Hz。而对于四缸机而言，频率小于17.6Hz即处于隔振区。

图3 隔振系统传递率曲线

2 三缸机悬置系统设计策略

为了匹配三缸机特性，悬置系统设计不能完全按照四缸机设计思路进行。主要考虑以下几方面。

（1）Pitch和Bounce频率要小于等于1.5阶激励频率的1/2，即10Hz；

（2）避开一阶频率，即13.3Hz，避免共振；

（3）由于三缸机难以将所有方向频率都控制在隔振区，但又要避免整车共振，可考虑将Roll或Yaw模态控制在14.3Hz～16Hz之间。

3 设计分析

以某车型悬置系统设计为例说明如下。

动力总成参数如下表2所示。

表2 动力总成参数

通过对悬置系统参数多轮优化，最终确定悬置位置及刚度参数如表3和表4所示。

表3 优化后悬置位置

表4 优化后悬置刚度

根据能量解耦法[4]，计算的优化后的能量分布如表5所示。

表5 优化后能量分布

从解耦角度看，主方向（Z和Ry）解耦均大于90%，其他方向大于80%，能够满足设计要求。

此外，Z和Ry频率满足小于等于10Hz要求，除Rx外，其他满足小于等于14.3Hz，且满足避开一阶13.3Hz要求。

4 试验验证

为验证悬置系统匹配合理性，对整车进行了相关性能测试。主要从方向盘、座椅导轨及选换挡手柄振动情况进行分析。测试结果如图4、图5、图6所示。

图5 怠速工况下座椅导轨振动频谱图

图6 怠速工况下换挡杆振动频谱图

由测试结果可以看出：（1）开、关空调工况下，方向盘各向振动均低于0.04g；（2）开、关空调下座椅导轨各向的振动均低于0.01g；（3）换挡杆各向振动均低于0.04g。主观感受良好，能够满足设计要求。

针对升速过程中悬置隔振性能测试结果如图7所示。

图7 升速工况悬置隔振曲线

升速工况下，悬置隔振性能良好。

5 结论

文章主要针对三缸机与四缸机性能区别及三缸机悬置系统性能匹配提出了一些设计建议。从实车测试结果来看，能够满足整车需求。通过前期设计优化，可规避三缸机悬置系统可能出现的隔振差或共振问题，有利于整车项目的推进并避免后期整改产生的费用。

[1] 韩全友,廖武等.某三缸发动机悬置的优化设计[J].客车技术与研究,2012（5）:10-12.

[2] 庞剑,谌刚等.汽车噪声与振动——理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2013.

[3] 周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,1999.

[4] 徐石安.汽车发动机弹性支撑隔振的解耦方法[J].汽车工程,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

李龙晶（1986-），男，底盘设计工程师，主要从事乘用车悬置系统的设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.035