三缸发动机整车转向盘振动性能优化

刘鹏 金善玉 赵敬 闫海涛

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

由于小排量涡轮增压三缸发动机在体积、质量，以及动力性、燃油经济性和排放方面的优势日益凸显，其在中、低级别和PHEV 车型上的应用愈加广泛。近年来，国内外各大主机厂商在市场上不断推出应用小排量三缸增压发动机的车型，以应对越来越严苛的法规要求。但是，相比传统的直列四缸发动机，三缸发动机在结构上存在先天的不平衡特性，具有燃烧力矩大以及发动机转速波动大的特点，特别是在缸内直喷、涡轮增压等新技术以及低成本压力的驱动下，动力总成自身的NVH 开发遇到极大的挑战[1]。这也使得在整车NVH 性能的集成开发中，需要制定更加科学合理的各系统间的NVH 平衡策略，以保证搭载三缸发动机车辆的NVH 表现能够被用户接受和认可。文章主要针对某搭载三缸增压发动机自主乘用车的转向盘振动问题进行研究，并制定了解决方案。

1 三缸发动机的振动特性

1.1 1阶不平衡往复惯性力矩激励

四缸发动机和三缸发动机的结构对比，如图1所示。根据直列三缸发动机的结构特性[2]，各曲轴间隔120°，因而沿各气缸方向运动的往复质量系统惯性力之和达到自平衡；而第1 缸和第3 缸往复惯性力产生的以第2 缸中心为参考点的力矩之和不平衡；相比其他阶次，1 阶不平衡往复惯性力矩能量占主导，激励方向为绕整车坐标系X 向。

图1 四缸发动机与三缸发动机的结构对比

1.2 1.5阶燃烧激励

发动机运行时，各气缸相继点火推动曲轴旋转产生扭矩，各缸扭矩相互叠加并不断对外输出恒定扭矩克服各种负载。根据内燃机的燃烧特性，燃烧扭矩波动存在谐频特性，三缸发动机的主激励为1.5 阶，方向为绕曲轴方向旋转，即整车坐标系Y 向。

2 三缸发动机的振动控制策略

目前对三缸发动机振动问题的主流控制策略有4 个方面：1）平衡轴、曲轴平衡块对应策略，平衡1 阶不平衡往复惯性力矩激励[3]；2）悬置对应策略；3）整车结构对应策略；4）发动机电子控制对应策略。

3 某车型转向盘振动问题介绍

某新开发的搭载三缸发动机的小型家用轿车在主观评价时，发现加速工况下存在转向盘振动过大的问题。转向盘在发动机转速下的振动曲线，如图2所示，转向盘X 向振动较大，在1 460～1 650 r/min 的转速下，振动响应存在明显峰值。该车型是基于传统四缸、横置前驱架构更换动力总成，传统四缸车型不存在此问题，常用转速下振动性能表现良好。

图2 转向盘振动曲线对比图

对上述问题进行进一步排查。图3 示出转向盘X向振动瀑布图。图4 示出转向系统模态测试结果。

图3 转向盘X 向振动瀑布图

图4 转向系统模态测试结果截图

从图3 可以发现，发动机激励存在明显的阶次特性，1 阶和1.5 阶激励非常剧烈，表现为典型的三缸发动机激励特性。同时在35 Hz 附近，存在明显共振带，通过模态测试，转向系统在33～35 Hz 范围内有两阶模态，该频率范围恰好对应问题转速的1.5 阶激励。

4 转向盘振动问题整改思路

通过测试数据可以确定，此车型加速工况下转向盘振动过大问题是由于特定转速下，三缸发动机1.5 阶激励与转向系统模态共振导致。振动激励大是三缸发动机的共性问题。对发动机本体进行优化整改难度较大、周期较长，由于目前正处于整车开发阶段，项目开发进度紧张，所以暂不考虑优化发动机本体，优先从整车角度寻求整改方案。

问题整改先从以下3 个方向着手：1）提高转向系统的整体刚度，降低转向盘响应幅值；2）优化动力总成悬置衬套刚度，提高悬置的隔振性能；3）通过安装质量块和动力吸振器等对转向盘的振动表现进行调节。

5 CAE分析优化

5.1 CAE分析模型介绍及分析结果对标

CAE 分析模型是带动力总成的TB 模型，动力总成用集中质量模拟，并赋予转动惯量参数，通过RBE2单元与悬置衬套连接；悬置衬套用BUSH 单元模拟，分别连接动力总成和车身侧悬置支架。

通过在动力总成质心位置加载单位力激励，计算动力总成到转向盘测点的传递函数，并与测试结果在趋势上进行对标。如果能够重现测试的问题，说明工况定义和模型精度都相对可信，分析结果可作为下一步优化的依据和基础。

根据三缸发动机的构造原理，Z 向激励是各种理论激励的最主要分量，而且车身结构Z 向的振动传函灵敏度也高于其他方向[1]，所以CAE 分析的激励采用在发动机质心施加单位Z 向力，分析频率为1～150 Hz，响应点为转向盘的12 点位置。分析结果显示，转向盘12 点位置在35 Hz 附近存在明显峰值，与实车问题在频率和趋势上基本吻合。CAE 模型及发动机激励传函分析工况加载示意，如图5所示；CAE 分析结果，如图6所示。

图5 三缸发动机激励传函分析工况加载示意图

图6 三缸发动机激励传函分析结果

5.2 加强转向系统结构

该车型的车身、转向系统均源于传统自吸式四缸发动机车型，该车型整车状态下转向系统模态在33～35 Hz 区间段。对于四缸发动机来说，怠速（含开空调状态）频率在25～30 Hz 区间，转向系统模态频率满足避频要求。同时，此模态频率对应四缸发动机转速在1 000 r/min 左右，该转速在加速工况会瞬间通过，共振现象不易发觉。所以四缸发动机车型在各种工况下，转向盘振动都表现良好。但在三缸发动机车型上，转向系统模态频率对应转速在1 400 r/min 左右，由于三缸发动机激励本身就过大，所以转向盘共振现象很容易被驾驶员感知[4]。

根据振动理论可知，在低频激励下，提高结构刚度，可以增加结构阻抗，降低振动幅值[5]，所以可以通过提升转向系统刚度来降低加速振动问题。同时，结合项目开发的客观要求，优先考虑制定既不更改原结构，又便于试制验证的优化方案。参考模态振型，结合工程经验制定结构优化方案，通过CAE 分析验证，以下2 种方案效果较好。

1）方案1：在转向支撑（CCB）与前围板连接处增加一个加强支架，方案示意及分析结果，如图7所示。

图7 加强转向系统结构方案1 示意图及分析结果

2）方案2：加强转向管柱的安装支架，方案示意及分析结果，如图8所示。

图8 加强转向系统结构方案2 示意图及分析结果

5.3 优化动力总成悬置衬套刚度

悬置系统是衔接动力总成和车身的重要系统[6]。该系统在支撑动力总成的同时，将发动机传递到车身上的振动减小到最低，对整车NVH 性能，特别是启动、怠速、加速、熄火抖动等起着非常大的作用[7-8]。对于四缸发动机，一般要求悬置隔振性能大于20 dB，即振动衰减10 倍。然而对于三缸发动机的应用，传统的悬置开发理论无法充分降低发动机传递到车身上的振动。为了最大限度地降低发动机传递到车身上的振动，三缸发动机悬置系统的设计采用了增大橡胶衬套尺寸、降低橡胶衬套刚度、提高悬置支架模态频率等技术方案[9]。

针对本车型存在的转向盘振动问题，优化悬置刚度也作为主要的整改路线。本车为3 点悬置，将每个衬套3 个方向的平动刚度作为设计变量，共计9 个变量。首先利用CAE 模型进行衬套刚度灵敏度的分析，确定灵敏度最高的变量。灵敏度分析结果，如图9所示。从图9 可以看出，3 个悬置衬套的Z 向刚度灵敏度非常高。降低这3 个方向的刚度值，更有利于降低转向盘的振动水平。

图9 动力总成悬置衬套刚度灵敏度分析结果

在CAE 模型里将3 个悬置衬套的Z 向刚度均降低30%，验证降低衬套刚度后，转向盘X 向振动的改善情况。分析结果，如图10所示。从图10 可以看出，降低衬套刚度后转向盘X 向振动响应幅值下降明显，方案有效。

图10 优化衬套刚度后转向盘振动的分析结果对比

5.4 质量块和动力吸振器控制策略

5.4.1 加装质量块

质量控制原理和刚度控制原理类似，通过分析响应与输入之间的传递函数，得到质量变化对传递函数的影响。工程上人们习惯把增加的质量称为“质量阻尼器”。车辆NVH 性能开发中，在结构不能改动的情况下，“质量阻尼器”被广泛应用[10]。针对本车型存在的问题，考虑在转向盘上增加一定的质量，考察转向盘振动问题的改善情况。

在CAE 模型里，将2 个0.5 kg 的质量块分别加到转向盘的3 点和9 点位置，“质量阻尼器”的安装位置，如图11所示。

图11 质量阻尼器的安装位置

加装质量阻尼器后的分析结果，如图12所示。增加质量后，转向盘的振动幅值出现了大幅的升高，方案无效，说明质量阻尼器不适合此类问题。

图12 加装质量阻尼器后转向盘振动的分析结果

5.4.2 加装动力吸振器

动力吸振器是通过在主系统上附加一个弹簧质量系统，利用反共振原理将主系统的振动能量全部或者部分转移到附加弹簧质量系统上，从而达到对主系统减振的效果。动力吸振器的理论结构模型，如图13所示。

图13 动力吸振器理论模型

由于转向盘结构的特殊性，动力吸振器通常只能安装在安全气囊背部的空隙里。工程上，动力吸振器的结构通常采用“基座-橡胶-质量块”的形式，如图14所示。

图14 转向盘动力吸振器结构及安装位置示意图

其中基座为动力吸振器与转向盘的间接件，主要用于安装固定，对动力吸振器的共振特性影响可以忽略不计。橡胶为弹性阻尼元件，其弹性的大小影响动力吸振器的共振频率，阻尼则影响动力吸振器共振时的峰值大小。质量块是质量元件，它不但影响共振频率，也决定了吸振器吸振的能力。由于气囊背部的布置空间非常紧凑，对质量块的大小限制很严苛，通常在进行吸振器参数调整时更多的是对橡胶特性进行调整[11]。吸振器设计时，对其工作频率、质量、橡胶刚度、阻尼都要进行系统的分析计算，才能使效果达到最佳。经过CAE分析对比，如图15所示，在转向盘内增加一个1.5 kg的吸振器后，转向盘振动响应下降明显，效果较好。

图15 加装动力吸振器后转向盘振动的分析结果

6 实车验证

6.1 方案筛选

通过CAE 分析结果可以明确，优化转向系统结构、优化动力总成悬置衬套刚度、转向盘上加装动力吸振器都可以降低转向盘的振动水平。由于车身结构整体借用，结构件设变成本高、周期长，而且影响仪表板内部各部件、线束的布置；吸振器质量过大，原转向盘内部没有安装空间，重新开发不但成本高，而且安全性能还要重新匹配，实施难度更大。结合以上实际问题，优先考虑优化悬置衬套刚度，并进行实车验证。

6.2 方案验证

悬置供应商根据要求提供了若干套低刚度衬套的悬置，装车前，需先测试衬套刚度，以保证试验的有效性。新旧衬套Z 向动刚度实测值，如表1所示。从表1 可以看出，新衬套动刚度下降幅度较大，具备测试验证条件。

表1 动力总成悬置衬套动刚度测试结果 N/mm

换装新的低刚度衬套后的振动测试结果，如图16所示，加速工况下，转向盘X 向振动大幅下降，主观评价振动表现改善明显，可以接受。

图16 换装新衬套后的转向盘振动测试结果

7 结论

综上，在三缸发动机车型整车NVH 性能集成匹配时需要重点关注以下3 个问题：1）保证车身整体及关键部件有足够高的刚度；2）合理设计动力总成悬置系统的刚度、阻尼等性能参数，使其能够最大限度地平衡和隔离振动；3）灵活利用动力吸振器、质量块等对整车NVH 性能表现进行调节，关键部位提前预留安装空间。