楊樹(shù)國(guó)

摘要：分析直列三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的主要激勵(lì)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力矩計(jì)算公式;研究三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡策略;建立三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的懸置系統(tǒng)模型并對(duì)系統(tǒng)的6階固有頻率進(jìn)行分析，結(jié)合整車(chē)的實(shí)際表現(xiàn)對(duì)懸置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有效驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：三缸發(fā)動(dòng)機(jī);扭矩軸;解耦設(shè)計(jì)

前言

隨著國(guó)家燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)的不斷加嚴(yán)，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠(chǎng)陸續(xù)開(kāi)發(fā)出小型化、高功率的高效三缸發(fā)動(dòng)機(jī)。由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的天然特性，其1階慣性力矩不能自平衡;同時(shí)三缸機(jī)單缸爆發(fā)壓力大，且點(diǎn)火間隔大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大;因此發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)較大，經(jīng)懸置傳遞到車(chē)內(nèi)的振動(dòng)也較大，顧客的主觀(guān)感受較差。三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)不平衡對(duì)懸置設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。

三缸機(jī)的不平衡

本文對(duì)坐標(biāo)系的定義如下：從車(chē)頭指向車(chē)尾水平方向定義為X軸正向，從駕駛位指向副駕駛水平方向定義為Y軸正向，Z軸根據(jù)右手定則確定。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的活塞組件做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿小頭隨活塞做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，連桿大頭隨曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。分別對(duì)往復(fù)質(zhì)量及旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的力、力矩加以分析。

對(duì)于往復(fù)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化成圖1。

已知三缸機(jī)的點(diǎn)火間隔角為240°，當(dāng)1缸位于上止點(diǎn)時(shí)，其θ₁=0，二缸的曲軸轉(zhuǎn)角θ₂=240，三缸的曲軸轉(zhuǎn)角θ₃=120，分別帶入公式2，可得一階往復(fù)慣性力的合力∑F_jI=0;其二階往復(fù)慣性力的合力∑F_jII=0。

同求往復(fù)慣性力的方法，可得往復(fù)慣性力矩的合力矩：

上式中的往復(fù)慣性力矩∑M_j包括一階往復(fù)慣性合力矩和二階往復(fù)慣性合力矩兩部分。

接下來(lái)分析旋轉(zhuǎn)慣性力及力矩。

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性力∑F_r=0;

旋轉(zhuǎn)慣性力矩：

∑M_r=|M_r1+ M_r2+ M_r3|=|F_r·2a+ F_r·a+ 0|=·F_r·a公式4

綜上，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)受到的合力為零，往復(fù)慣性力矩和旋轉(zhuǎn)慣性力矩不為零。

發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡策略

根據(jù)前文分析，不能自平衡的慣性力矩并不能通過(guò)在曲軸上設(shè)置平衡重而消除。若要徹底消除慣性力矩，只能增加平衡軸。增加平衡軸后，必然會(huì)引起整機(jī)成本的上升以及發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的增加。本文中的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)合理的平衡策略（B）設(shè)計(jì)達(dá)到了較為滿(mǎn)意的NVH水平。

往復(fù)慣性力矩及旋轉(zhuǎn)慣性力矩的不平衡最終作用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，表現(xiàn)為Roll以及Yaw方向的激勵(lì)。Roll引起的是整車(chē)Z方向的振動(dòng)，Yaw引起的是整車(chē)X向的振動(dòng)，因此我們更希望抑制Roll引起的振動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)：動(dòng)力總成質(zhì)量192Kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m²）：Ixx 11.83，Iyy 6.71，Izz 10.53，Ixy 0.91，Ixz -0.13，Iyz -2.26。

在Adams中建立模型，采用TRA三點(diǎn)懸置布置，輸入三個(gè)懸置的設(shè)計(jì)剛度，運(yùn)行仿真，得到懸置的6階模態(tài)及能量解耦率，如表2：

怠速工況下，1.5階隔振結(jié)果見(jiàn)表3：

結(jié)語(yǔ)

從整車(chē)NVH性能表現(xiàn)看，三缸機(jī)相比于四缸機(jī)在激勵(lì)幅值及激勵(lì)種類(lèi)上更加復(fù)雜，且單缸的爆發(fā)壓力明顯增大。

1、三缸發(fā)動(dòng)機(jī)增加平衡軸可徹底消除不平衡力矩，但也可在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的前提下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)平衡策略，再加上懸置的合理設(shè)計(jì)，使整車(chē)的表現(xiàn)處于可接受的范圍內(nèi)。

2、通過(guò)降低懸置X向剛度，可以?xún)?yōu)化整車(chē)的振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱廉潔 劉曉偉等，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)怠速振動(dòng)性能研究 10.3969/j.issn.1006-1335.2015.06.026

（作者單位：中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司天津技術(shù)開(kāi)發(fā)分公司）