文章介紹了汽車振動產生的原因, 利用動力學理論, 建立了單缸發動機振動模型, 計算出了發動機不同轉速下的振動加速度。然后, 重點分析了發動機減振技術, 對發動機整體設計、雙質量飛輪及發動機平衡軸技術進行重點分析, 為工程人員提供了技術參考。

隨著汽車行業近年來的高速發展, 汽車舒適性越來越受到人們的重視, 汽車的舒適性顯得越發重要, 舒適性好的車輛, 會直接影響消費者購買的心理。根據ISO2631-1:1997 (E) 標準規定, 振動頻率在4~8Hz時, 人的心臟會發生共振, 長期會對臟器損壞。在8~12.5Hz時, 會對人的脊椎系統影響較大。在低頻振動下, 超過暴露極限后, 人還會產生焦慮, 煩躁不安的癥狀, 影響駕駛安全。汽車上的振源主要由發動機、變速器、路面激勵等原因造成, 其中發動機振動是整車振動里的主要根源。本文首先分析了發動機振動產生的原因, 然后對發動機整體和部件等減振技術進行了分析, 為發動機減振研究提供了參考。

一、發動機振動原因分析
發動機振動是由于燃燒的混合氣在氣缸中產生爆發力, 爆發壓力推動活塞運動, 活塞通過曲柄連桿機構帶動曲軸產生旋轉運動, 由于點火時刻的間歇性, 活塞的上下變速運動和曲軸的旋轉變速轉動產生的不平衡力和力矩導致了發動機振動。針對三缸機, 曲軸旋轉一圈, 每120度產生一次點火, 點火會導致扭矩波動。對于四缸機, 曲軸旋轉一圈, 每90度產生一次點火;對于六缸機, 曲軸旋轉一圈, 每60度產生一次點火, 發動機相對運動就更能平穩些。因此, 對發動機振動力學的機理進行動力分析對減振也相當重要。
1.汽車發動機動力分析
為了方便計算, 我們作兩個假設和兩個簡化:曲軸作勻速運動, 角速度為常數ω;把連桿簡化成小孔中心處的m2和大孔中心處的m1, 如圖1所示。活塞A作往復直線運動, 曲柄OB繞曲軸中心O點作旋轉運動, 連桿AB作平面復合運動, 曲柄轉角為α, 連桿擺角為β, 曲柄半徑為r:

變形可得:

 對活塞位移求二階導數, 可以得到活塞運動的加速度:

圖1 發動機曲柄連桿機構示意圖

通過建模分析, 可以發現加速度有兩個諧振量是引起往復慣性力的根源, 這也是發動機整機振動的根源。
假設連桿比為0.5, 圖2分別是曲軸轉速為700r/min, 900r/min, 1100r/min時, 活塞的加速度。從圖2可以看出, 發動機不加平衡機構的時候, 活塞運動加速度幅值隨著曲軸轉速的增加而增加。通過上述分析, 我們計算了活塞的加速度, 分析了發動機振動的根源。活塞的運動、氣體爆發力、旋轉慣性力在水平方向的分量是產生發動機水平振動的根源。往復慣性力、旋轉慣性力在豎直方向上產生的分量是豎直方向的振動。上述力在空間力系上進行簡化還會產生慣性力矩。我們只有通過綜合的減振手段, 才可以減少發動機振動, 提高乘坐舒適性。
二、發動機減振技術
減少發動機的振動有兩種辦法, 一種是通過改善燃燒方式, 優化發動機設計, 來提高發動機的振動平順性。另一種是通過增加一些懸置和飛輪等技術手段減小振動的傳遞。下面我們重點分析下主流的發動機減振技術。

圖2 活塞在不同曲軸轉速下運動的加速度曲線

1.優化發動機整體設計
發動機整體優化設計對發動機減振至關重要, 可以通過增加氣缸數目, 變換氣缸的布置形式來使發動機運轉更平穩, 比如現在V8, V12氣缸相比4缸機和6缸機振動幅值要小。發動機不同轉速會產生不同的激振頻率, 而發動機整機設計好后, 其固有頻率也會固定, 可以通過模態分析技術, 對發動機進行分析, 找出發動機的固有頻率和主振型, 這樣就可以通過設計把發動機的固有頻率和發動機常用轉速下的激振頻率區分開進行減振。發動機的振動是通過懸置傳遞到車架上的, 懸置的設計直接影響這個主振源振動的衰減程度。為了衰減發動機傳遞到車架的振動幅度, 要求懸置應該有一定的阻尼, 同時還有較小的彈性系數。研究表明, 在5~20Hz的低頻范圍, 要求衰減發動機低轉速和路面引起的低頻大振幅的振動。因此需要高剛度和大阻尼的懸置。而在高頻的激振情況下, 需要高頻, 小阻尼的懸置特性。目前, 橡膠懸置已經無法滿足這種情況, 液壓懸置可以滿足高、低頻兩個特點。目前, 市面上用的較多的是被動懸置, 只有一些高檔轎車上才會選用主動懸置或者半主動懸置。
2.雙質量飛輪減振技術
發動機飛輪具有較大的轉動慣量, 在發動機做功環節吸收能量, 在其它三個行程再釋放存儲的能量, 使得發動機的轉動更平穩。飛輪的轉動慣量越大, 發動機旋轉的越平穩, 但同時也增加了發動機的整體質量和降低了發動機的靈敏度。為了解決這個問題, 發明了雙質量飛輪。
雙質量飛輪由兩部分質量和一個扭轉減振器組成, 一部分飛輪質量用用于傳遞發動機的轉動慣量;另一部分質量用于提高變速器的轉動慣量。這兩部分質量之間用彈性機構和阻尼結構連接。
雙質量飛輪是將扭轉減震器從離合器的從動盤取出, 然后安置在發動機飛輪之間, 這樣可以改善扭轉減震器兩端的質量分配。同時, 通過將減振彈簧布置的半徑較大, 因此, 可以降低彈簧剛度增加彈簧壓縮量, 這樣可以較好地改變系統的固有頻率, 提高系統的減振能力。
3.發動機平衡技術
發動機振動的根源是由于活塞上下運動的慣性力和曲軸組件旋轉產生的慣性力和力矩產生。因此可以使用曲軸平衡技術或者增加平衡軸來提高發動機減振能力。

圖3 單平衡軸示意圖

曲軸高速旋轉會產生離心慣性力, 這個不平衡力可以通過在曲柄銷對面加置平衡重來進行平衡。這個可以通過計算精確確定出平衡重的質量。
平衡軸平衡技術是一項非常實用的減振技術, 目前有單軸平衡技術和雙軸平衡技術。單平衡軸顧名思義就是采用一個平衡軸進行發動機的平衡。圖3所示單平衡軸轉速和曲軸一樣, 可以平衡掉一階不平衡分量, 其結構簡單, 平衡效果較好。雙平衡軸兩個軸通過鏈條或者皮帶連接, 其中一個平衡軸轉速和曲軸一樣, 這樣可以平衡一階振動。另一軸可以平衡到二階振動, 從而可以達到更為理想的效果。
三、總結
發動機的振動是引起整車振動最為主要的振源, 降低發動機振動幅度是整車減振關鍵環節。本文通過分析得到以下兩個結論:
(1)本文分析了發動機振動的根源, 并且通過實例, 利用MATLAB計算了發動機在不同轉速下的活塞加速度曲線, 活塞運動加速度幅值隨著曲軸轉速的增加而增加。
(2)針對目前發動機減振技術, 重點分析了發動機整體設計技術, 雙質量飛輪技術及發動機平衡技術三種方法, 指出了每種方法的優缺點, 為工程技術人員提供了參考。