基于ADAMS的某三缸发动机悬置优化设计

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　　摘要：分析直列三缸发动机的主要激励，得到发动机的激励力矩计算公式;研究三缸发动机的平衡策略;建立三缸发动机的悬置系统模型并对系统的6阶固有频率进行分析，结合整车的实际表现对悬置设计方案进行了有效验证。
　　关键词：三缸发动机;扭矩轴;解耦设计
　　前言
　　随着国家燃油经济性法规的不断加严，国内各主机厂陆续开发出小型化、高功率的高效三缸发动机。由于三缸发动机的天然特性，其1阶惯性力矩不能自平衡;同时三缸机单缸爆发压力大，且点火间隔大，转速波动大;因此发动机产生的振动较大，经悬置传递到车内的振动也较大，顾客的主观感受较差。三缸发动机的振动不平衡对悬置设计提出了极大的挑战。
　　三缸机的不平衡
　　本文對坐标系的定义如下：从车头指向车尾水平方向定义为X轴正向，从驾驶位指向副驾驶水平方向定义为Y轴正向，Z轴根据右手定则确定。
　　曲柄连杆机构中的活塞组件做往复直线运动，曲轴做旋转运动，连杆小头随活塞做往复直线运动，连杆大头随曲轴做旋转运动。分别对往复质量及旋转质量产生的力、力矩加以分析。
　　对于往复质量的运动可以简化成图1。
　　已知三缸机的点火间隔角为240°，当1缸位于上止点时，其θ1=0，二缸的曲轴转角θ2=240，三缸的曲轴转角θ3=120，分别带入公式2，可得一阶往复惯性力的合力∑FjI=0;其二阶往复惯性力的合力∑FjII=0。
　　同求往复惯性力的方法，可得往复惯性力矩的合力矩：
　　上式中的往复惯性力矩∑Mj包括一阶往复惯性合力矩和二阶往复惯性合力矩两部分。
　　接下来分析旋转惯性力及力矩。
　　三缸发动机的旋转惯性力∑Fr=0;
　　旋转惯性力矩：
　　∑Mr=|Mr1+ Mr2+ Mr3|=|Fr·2a+ Fr·a+ 0|=·Fr·a公式4
　　综上，三缸发动机受到的合力为零，往复惯性力矩和旋转惯性力矩不为零。
　　发动机的平衡策略
　　根据前文分析，不能自平衡的惯性力矩并不能通过在曲轴上设置平衡重而消除。若要彻底消除惯性力矩，只能增加平衡轴。增加平衡轴后，必然会引起整机成本的上升以及发动机油耗的增加。本文中的发动机通过合理的平衡策略（B）设计达到了较为满意的NVH水平。
　　往复惯性力矩及旋转惯性力矩的不平衡最终作用在发动机上，表现为Roll以及Yaw方向的激励。Roll引起的是整车Z方向的振动，Yaw引起的是整车X向的振动，因此我们更希望抑制Roll引起的振动。
　　发动机基本参数：动力总成质量192Kg，转动惯量（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三点悬置布置，输入三个悬置的设计刚度，运行仿真，得到悬置的6阶模态及能量解耦率，如表2：
　　怠速工况下，1.5阶隔振结果见表3：
　　结语
　　从整车NVH性能表现看，三缸机相比于四缸机在激励幅值及激励种类上更加复杂，且单缸的爆发压力明显增大。
　　1、三缸发动机增加平衡轴可彻底消除不平衡力矩，但也可在不增加发动机油耗的前提下，通过合理设计平衡策略，再加上悬置的合理设计，使整车的表现处于可接受的范围内。
　　2、通过降低悬置X向刚度，可以优化整车的振动。
　　参考文献
　　[1] 朱廉洁 刘晓伟等，三缸发动机整车怠速振动性能研究 10.3969/j.issn.1006-1335.2015.06.026
　　（作者单位：中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）
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