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三缸发动机与电动机悬置系统设计

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Mounting Systems for Three-cylinderCombustion Engines and Electric Motors
Dr.-Ing. Thomas RoRottner is Head MultiBody Systems & Vehicle Testing at Vibracoustic GmbH & Co. KG inWeinheim (Germany).
当前的变化会影响车辆的行驶,因为四缸、六缸或更多缸的内燃机(而不是三缸发动机)甚至电动机必然会对发动机悬置设计产生影响。舒适性的损失,主要是在这种情况下的缩编,必须抵消新的悬置系统。振动声学是从技术和商业的角度优化三缸发动机和/或电动机的悬置系统,其基础知识是关于整个系统的。
减少二氧化碳排放
汽车工业目前旨在将二氧化碳排放量降低到法定标准的努力,正在导致汽车驾驶的实际变化。一方面,传统内燃机的燃油消耗量是通过降低容量和气缸数来实现的。这导致在较低的车辆段内越来越多地使用三缸发动机(如火花点火和柴油发动机)。另一方面,从长远来看,纯电力驱动使本地无排放运行成为可能也是不可避免的。
必须对上述两种情况下的最佳悬置问题给出新的答案-这意味着三缸发动机和电力驱动。对于三缸发动机,由于发动机触发的激励与广泛使用的四缸发动机大不相同,而且应用不再局限于属于最低段的车辆,这些车辆数量很少。影响电力驱动的变化更为剧烈。经过优化的发动机悬置在内燃机上的应用,也不一定是电驱动的最佳解决方案。在下面的讨论中,技术专家Vibrasomic将讨论对三缸发动机不同要求的可能响应基于悬置系统的发动机和电动机。
三缸机悬置系统
如果四缸发动机换成三缸发动机,油耗更低,在大多数情况下,功率和扭矩都将保持不变。发动机重量可能下降,但也可能保持在相同的水平(例如平衡轴)。三缸发动机具有较窄的结构,但发动机悬置位置经常保持不变,因为在涉及的车辆中,较长的四缸发动机的选择通常是安全的。
客户对车辆舒适性的要求不断提高。因此,与四缸发动机相比,更大的振动激励导致对悬置的隔振要求更为严格。
怠速工况
这就要求在怠速条件方面立即有几个不同之处。怠速状态下的座椅导轨加速度表示为图1、可以清楚地识别明显的1级和1.5级发动机阶次。在四缸发动机的怠速条件下,只有2阶是至关重要的。三缸发动机上的发动机悬置系统存在的问题是,首先,1.5主阶次比四缸发动机上的主阶次低5HZ以上,这就是同一个悬置系统的隔振度显著下降的原因。其次,由于附加的一阶在发动机共振的频率范围内移动,这就加剧了这种情况,这意味着刚体(发动机安装在其发动机悬置上)的共振位于该频率范围内。一种孤立的状态,或者至少是一种不会出现共振峰的情况,只有在非常困难的情况下才能实现。在许多情况下,平衡轴安装用于补偿发动机一阶振动,从而防止在发动机出现一阶激励,无论是在怠速或运转状态。

1 怠速激励下座椅导轨的加速度
一般来说,应该注意的是,怠速舒适性正在下降,至少是发动机1.5阶激励触发的所致。根据平衡轴的使用情况,也可能出现发动机一阶附加激励的问题。怠速速度持续降低,质量(飞轮、曲轴)降低,从而导致怠速舒适性进一步下降,这在一般情况下和传统四缸发动机上都会加剧。一种可能的补救措施是将发动机悬置系统调整到低频水平(图2)。理想情况下,所有的发动机共振都会低于发动机1阶。然而,这只能在特殊情况下才能实现,因为在这种情况下,悬置必须设计成高度柔软的。必须假设发动机重量几乎保持不变,再加上可比较的扭矩,静态基本条件代表了悬置刚度值的下限,这通常会阻止此处提到的设计转化为实践。然而,低调谐可能在两种情况下实现:共振不应通过平衡轴移动到低于1阶,而应仅低于1.5阶发动机。或者悬置位置可以被修改,例如向内移动,从而导致发动机侧倾和横摆频率(围绕车辆纵向和垂直轴的旋转)显著减小。对于专门配备三缸发动机的车辆,此操作过程特别有趣。然而,一旦使用三缸和四缸发动机,悬置位置也将满足更大的四缸发动机宽度的要求,将考虑。

2 低调校发动机/刚体共振分布
如果这里讨论的低调整策略不切实际,就必须达成妥协。后者可以这样安排,使得并非所有本征频率都置于1阶以下。选定频率,例如上述RollYaw频率,保持在1阶和1.5阶之间,见图3。在进行这种选择性的低调谐时,必须确保在两个大的本征模态中不涉及明显的Pitch贡献,这两个本征模态将受到1.5级发动机的激励。然而,应该注意的是,在加速过程中,发动机1阶通过两个更高的本征频率,代表一个潜在的隆隆噪声激励。对于这里提出的两种设计策略,关键在于以这样一种技巧来安排悬置的非线性级数,一方面,软悬置特性将在怠速条件下产生成果,另一方面,将以有针对性和温和的方式实现级数,以在加速过程中支撑扭矩,另一方面。

选择性低调谐-发动机/刚体共振分布
运行工况
对于配备三缸发动机的车辆的驾驶员,在大多数情况下,可以立即听到“缺失”的气缸声。这主要是由于所涉及的噪声成分不同。在三缸发动机上,1.534.5等阶对噪声的贡献尤其大,而246等阶对四缸发动机的贡献更大。结果,三缸发动机上的频谱被下移到隆隆的频率。
发动机悬置提供了更有利的隔离特性,特别是在这个敏感的频率范围内,有助于减少结构传播的噪声,从而增强对声音的印象。图4显示了高频软悬置的特点。与串联安装(红色曲线)相比,这样的支架表现出更灵活的行为,并因此具有优异的隔离特性。这在三缸发动机的150HZ的关键频率范围内是特别正确的,这意味着在助燃阶段,第1和第1.5阶发动机阶次被激发的频率范围。

串联高频软悬置刚度特性曲线
电机悬置系统
动力东城电气化将在长期内取得进展。越来越多的汽车将完全由电力驱动,特别是在城市地区。这种从内燃机到电动机的彻底转变必然会对它们的悬置产生影响。不能假定经过几十年优化的发动机悬置在内燃机上的应用,将同时构成电动机的最佳解决方案。
为了能够执行悬置所需的有针对性的调整,必须详细检查不同的基本条件。为此,图5显示了电动车辆(⑤左)和柴油发动机(⑤右)齿轮箱衬套上的加速度示例。这两幅图具有相同的比例,并在惯用的车辆坐标系的基础上,从上到下分别显示了xyz方向的加速度。在横坐标上表示了与发动机悬置特别相关的0600赫兹的频率范围。内燃机的一个特点是发动机阶次的多样性,特别重视主阶次(这里是指发动机2阶)。显然,电动机的励磁明显较低。首先,两者的差别是一般水平较低,但也只能观察到极少数的激发阶次。

5 电动车(左)和柴油车(右)悬置上的加速度
这些发现与驾驶电动汽车时获得的主观印象一致。一般来说,驱动器所需的声压级是非常低的。因此,可以更清楚地感知其他噪音,例如来自底盘的噪音。在发生影响驾驶条件的变化(例如加速或滑行)时,驾驶员的声反馈也大大降低。一个可能的后果可能是减轻对发动机悬置的隔离要求。此措施的主要效果是将更多的驾驶噪音传输到车辆内部,因此,可以更清楚地感知到声反馈。然而,在这种情况下,应该注意,高阶(例如第50阶)可能会完全增加内部噪音的音调元素,特别是在电动机上。这在很大程度上取决于电动机本身的设计。
如果不涉及到对电动机的主要音调刺 激,显然可以选择更难调谐的发动机悬置系统。这种结构在图6上表示。在这种情况下,所有的发动机刚体本征频率都沿着轴共振被推。这是在发动机悬置刚度值增加10倍的基础上实现的,与内燃机驱动的可比车辆所用的悬置相比。因此,这导致了悬置方面的重大变化。⑥示出了差动齿轮箱轴套的示例,显示了如此大的刚度值。这种悬置具有成本效益,其耐久性也经过了测试。

6 电驱动动能悬置系统
电动机的悬置系统可以在相对简单和经济的概念基础上实现。硬悬置考虑到了较高的发动机扭矩。因此,布置要求将下降,耐久性效率将同时提高。在驾驶条件方面,通过发动机悬置故意降低隔离度,增强了对驾驶员的声音反馈。
总结
当前车辆驱动的趋势是使用三缸发动机和电动机,以减少消耗和二氧化碳排放,这也将对发动机悬置产生影响。在考虑成本和重量目标的同时,新的悬置系统必须抵消在舒适性方面最不利的变化,以便为最终客户提供尽可能最佳的舒适性。
在本文中,振动声学已经展示了如何在从技术和商业角度对整个系统有基本了解的情况下开发最佳悬置件。电气悬置系统电机可以实现在相对简单和成本效益的概念。
参考文献
[1]Schröder, C.: Vibracoustic: Hydro- und Tilgerlager ersetzen ausgleichswelle.In:
www.aTZonline.devom 5. Dezember 2008
[2]Hechenblaikner, J.; Oberle, r.: akustische Systembetrachtungen amantriebsstrang. In:aTZ 106 (2004), Nr. 10, S. 896 – 905

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来源:汽车NVH云讲堂
System振动非线性通用汽车电力新能源声学电机ElectricNVH
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首次发布时间:2023-04-12
最近编辑:1年前
吕老师
硕士 28年汽车行业从业经验,深耕悬置...
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