三缸发动机悬置系统设计方法的研究

刘晓昂　上官文斌　吕兆平

摘要：以直列三缸发动机为研究对象，分析了曲柄连杆机构的旋转惯性力、往复惯性力及缸内气体压力对缸体产生的不平衡力和力矩，并与四缸、六缸发动机受到的不平衡力和力矩进行对比。分析了三缸机的几种常见平衡方法（曲轴加平衡重、一阶平衡轴机构和二阶平衡轴机构）下，作用于缸体上的不平衡力和力矩。在三种典型的平衡方式（完全不平衡，50%平衡和完全平衡）下，计算并对比了每种情况下缸体受到的不平衡力矩和悬置的动反力。建立了三缸发动机悬置系统固有频率、能量分布及悬置动反力的设计要求，提出了三缸发动机悬置系统的优化设计方法。给出一计算实例，对悬置的刚度进行优化设计，表明了所建立的方法的有效性。

关键词：动力总成；设计方法；三缸发动机；悬置刚度和阻尼的优化

引言

随着汽车节能减排要求日渐提高，三缸发动机在工业界的应用越来越广泛。由于三缸发动机的平衡性较差，致使发动机产生较大的振动，因此，經悬置传递到车内的振动也较大。同时，由于三缸发动机的激振频率较低，为了得到更好的隔振效果，要求动力总成悬置系统的刚体模态频率较低。减少三缸发动机振动对汽车振动的方法有两种，一是通过在三缸发动机中加平衡机构，减少曲柄连杆机构的往复惯性力和旋转惯性力对发动机缸体的不平衡力和力矩，二是通过悬置系统的设计，减少由于缸体的不平衡力和力矩而传递到车身的力。采用较复杂的平衡方式，会增加三缸发动机的油耗，从而失去了三缸发动机开发的目的。目前工业界更希望的是采用简单的平衡方式（曲轴平衡方式），通过悬置系统设计，隔离与减少三缸发动机的激振力和力矩传递到车身的力。

在四缸发动机悬置系统设计中，忽略车身的弹性，假定悬置的一端与动力总成连接，一端与刚性地面连接。通过对动力总成固有频率和能量分布的要求，优化得到悬置在其局部坐标系下线性段的刚度、悬置安装位置和安装角度。根据对动力总成质心的位移控制要求，确定悬置在其局部坐标系下非线性段的刚度及拐点的坐标。在三缸发动机悬置系统的设计中，由于平衡方式的不一样，发动机缸体受到的不平衡力和力矩不一样，如何通过悬置系统的设计，减少由于发动机的不平衡传递到车身的力，是具有三缸发动机的动力总成悬置系统的设计难点之一。

目前在三缸发动机平衡性的研究工作中，常采用曲轴或平衡轴加平衡重的方式，以减小发动机缸体受到的不平衡力，从而减小发动机的振动。在三缸发动机悬置系统的设计中，一般将三点悬置系统中的后悬置改为防扭拉杆，左、右悬置靠近扭矩轴布置，或调整悬置的安装角度，可以使动力总成绕曲轴方向的固有频率避开发动机怠速时1.5阶的激励频率，有助于降低车内的振动。

在目前的动力总成悬置系统的研究工作中，针对三缸发动机悬置系统设计的研究较少。本文以三缸发动机的平衡方式和其悬置系统的设计为分析对象，开展了以下工作：

（1）分析了曲柄连杆机构的旋转惯性力和活塞组的往复惯性力对其缸体的不平衡力和力矩，并与四缸、六缸发动机缸体受到的不平衡力和力矩进行对比；给出了发动机缸体在不采用平衡机构，和采用不同类型的平衡方式时（曲轴平衡机构、一阶平衡轴机构、二阶平衡轴机构），发动机缸体受到的不平衡力和力矩的表达式。

（2）提出了三缸发动机悬置系统的设计思想与计算方法：提出了三缸发动机悬置系统设计中对动力总成固有频率、能量分布及最小化悬置动反力的设计要求，提出了具有三缸发动机的动力总成悬置系统中橡胶悬置与液阻悬置刚度优化方法；

（3）给出了一计算实例，以各悬置在局部坐标系下刚度为设计变量，采用遗传算法和序列二次规划法相结合的算法，得到各刚度的最优值。计算结果表明，优化后的悬置系统，动力总成的固有频率和能量分布满足指定要求，且优化后采用50%平衡方式时，悬置的动反力小于优化前完全平衡情况下悬置的动反力。为降低发动机在低转速范围内悬置的动反力，重新设计左、右悬置的动态特性，将橡胶悬置更换为液阻悬置后，悬置的动反力得到明显降低。

本论文针对具有三缸发动机的动力总成悬置的设计理论与建模方法，对目前工业界广泛应用具有涡轮增压的三缸发动机悬置系统的设计具有参考意义。