三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究

劉曉昂　上官文斌　呂兆平

摘要：以直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力及缸內(nèi)氣體壓力對(duì)缸體產(chǎn)生的不平衡力和力矩，并與四缸、六缸發(fā)動(dòng)機(jī)受到的不平衡力和力矩進(jìn)行對(duì)比。分析了三缸機(jī)的幾種常見平衡方法（曲軸加平衡重、一階平衡軸機(jī)構(gòu)和二階平衡軸機(jī)構(gòu)）下，作用于缸體上的不平衡力和力矩。在三種典型的平衡方式（完全不平衡，50%平衡和完全平衡）下，計(jì)算并對(duì)比了每種情況下缸體受到的不平衡力矩和懸置的動(dòng)反力。建立了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)固有頻率、能量分布及懸置動(dòng)反力的設(shè)計(jì)要求，提出了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。給出一計(jì)算實(shí)例，對(duì)懸置的剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，表明了所建立的方法的有效性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成；設(shè)計(jì)方法；三缸發(fā)動(dòng)機(jī)；懸置剛度和阻尼的優(yōu)化

引言

隨著汽車節(jié)能減排要求日漸提高，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在工業(yè)界的應(yīng)用越來越廣泛。由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡性較差，致使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，因此，經(jīng)懸置傳遞到車內(nèi)的振動(dòng)也較大。同時(shí)，由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率較低，為了得到更好的隔振效果，要求動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的剛體模態(tài)頻率較低。減少三缸發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)汽車振動(dòng)的方法有兩種，一是通過在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)中加平衡機(jī)構(gòu)，減少曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的不平衡力和力矩，二是通過懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少由于缸體的不平衡力和力矩而傳遞到車身的力。采用較復(fù)雜的平衡方式，會(huì)增加三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，從而失去了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的目的。目前工業(yè)界更希望的是采用簡單的平衡方式（曲軸平衡方式），通過懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)，隔離與減少三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的激振力和力矩傳遞到車身的力。

在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，忽略車身的彈性，假定懸置的一端與動(dòng)力總成連接，一端與剛性地面連接。通過對(duì)動(dòng)力總成固有頻率和能量分布的要求，優(yōu)化得到懸置在其局部坐標(biāo)系下線性段的剛度、懸置安裝位置和安裝角度。根據(jù)對(duì)動(dòng)力總成質(zhì)心的位移控制要求，確定懸置在其局部坐標(biāo)系下非線性段的剛度及拐點(diǎn)的坐標(biāo)。在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于平衡方式的不一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體受到的不平衡力和力矩不一樣，如何通過懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少由于發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡傳遞到車身的力，是具有三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

目前在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)平衡性的研究工作中，常采用曲軸或平衡軸加平衡重的方式，以減小發(fā)動(dòng)機(jī)缸體受到的不平衡力，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。在三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般將三點(diǎn)懸置系統(tǒng)中的后懸置改為防扭拉桿，左、右懸置靠近扭矩軸布置，或調(diào)整懸置的安裝角度，可以使動(dòng)力總成繞曲軸方向的固有頻率避開發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)1.5階的激勵(lì)頻率，有助于降低車內(nèi)的振動(dòng)。

在目前的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的研究工作中，針對(duì)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究較少。本文以三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡方式和其懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為分析對(duì)象，開展了以下工作：

（1）分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)慣性力和活塞組的往復(fù)慣性力對(duì)其缸體的不平衡力和力矩，并與四缸、六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體受到的不平衡力和力矩進(jìn)行對(duì)比；給出了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在不采用平衡機(jī)構(gòu)，和采用不同類型的平衡方式時(shí)（曲軸平衡機(jī)構(gòu)、一階平衡軸機(jī)構(gòu)、二階平衡軸機(jī)構(gòu)），發(fā)動(dòng)機(jī)缸體受到的不平衡力和力矩的表達(dá)式。

（2）提出了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與計(jì)算方法：提出了三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)動(dòng)力總成固有頻率、能量分布及最小化懸置動(dòng)反力的設(shè)計(jì)要求，提出了具有三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)中橡膠懸置與液阻懸置剛度優(yōu)化方法；

（3）給出了一計(jì)算實(shí)例，以各懸置在局部坐標(biāo)系下剛度為設(shè)計(jì)變量，采用遺傳算法和序列二次規(guī)劃法相結(jié)合的算法，得到各剛度的最優(yōu)值。計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的懸置系統(tǒng)，動(dòng)力總成的固有頻率和能量分布滿足指定要求，且優(yōu)化后采用50%平衡方式時(shí)，懸置的動(dòng)反力小于優(yōu)化前完全平衡情況下懸置的動(dòng)反力。為降低發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)懸置的動(dòng)反力，重新設(shè)計(jì)左、右懸置的動(dòng)態(tài)特性，將橡膠懸置更換為液阻懸置后，懸置的動(dòng)反力得到明顯降低。

本論文針對(duì)具有三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力總成懸置的設(shè)計(jì)理論與建模方法，對(duì)目前工業(yè)界廣泛應(yīng)用具有渦輪增壓的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考意義。