汽車?yán)淠?散熱器-風(fēng)扇總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法*

王 鐵，上官文瀧，劉曉昂，上官文斌

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641)

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2015028

汽車?yán)淠?散熱器-風(fēng)扇總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法*

王 鐵1，上官文瀧1，劉曉昂2，上官文斌2

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641)

論述了汽車?yán)淠?散熱器-風(fēng)扇總成(CRFM)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。推導(dǎo)出在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)不平衡激勵(lì)下，CRFM懸置系統(tǒng)中各懸置支承點(diǎn)動(dòng)反力均方根值的計(jì)算公式。基于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)位移控制的設(shè)計(jì)方法，闡述了CRFM的位移控制的設(shè)計(jì)方法。最后給出了一計(jì)算實(shí)例，結(jié)果表明利用該方法設(shè)計(jì)的CRFM懸置系統(tǒng)，可較好地滿足CRFM懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

汽車； 冷凝器-散熱器-風(fēng)扇；懸置系統(tǒng)；設(shè)計(jì)方法

前言

汽車?yán)淠?散熱器-風(fēng)扇總成 (condenser-radiator-fan module，CRFM)由一些橡膠減振懸置元件支撐在車身或副車架上，簡(jiǎn)稱CRFM懸置系統(tǒng)。隨著汽車的輕量化設(shè)計(jì)、大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛使用和冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與不平衡量的增加，由CRFM引起的振動(dòng)對(duì)汽車NVH的影響越來越大。

目前關(guān)于CRFM懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和分析方法方面的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[1]中研究了由冷卻風(fēng)扇和輪胎動(dòng)不平衡導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤拍頻振動(dòng)問題，提出了調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和控制動(dòng)不平衡量的解決方案；文獻(xiàn)[2]中采用Taguchi法辨識(shí)各種因素對(duì)CRFM振動(dòng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)扇不平衡量對(duì)CRFM垂向振動(dòng)的影響最大，而風(fēng)扇組件間的不良配合是導(dǎo)致CRFM軸向振動(dòng)的主要原因；文獻(xiàn)[3]中研究了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、開空調(diào)時(shí)CRFM對(duì)轉(zhuǎn)向盤振動(dòng)的影響。

本文中首先論述了CRFM懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。將CRFM簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體，各個(gè)懸置簡(jiǎn)化為在其3個(gè)彈性主軸方向具有剛度和阻尼的彈性元件，建立了6自由度CRFM懸置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了在風(fēng)扇不平衡力激勵(lì)下，CRFM懸置系統(tǒng)中各懸置支承點(diǎn)動(dòng)反力均方根值頻響特性的計(jì)算公式?；趧?dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與方法[4-9]，闡述了CRFM位移控制方法。最后給出一CRFM懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。

1 CRFM懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1.1 CRFM剛體模態(tài)的設(shè)計(jì)要求

基于整車的模態(tài)分布，CRFM的6階固有頻率要滿足設(shè)定的要求，并盡可能降低各懸置支承處的動(dòng)反力，以達(dá)到減少車身振動(dòng)的目的。

關(guān)于CRFM的剛體模態(tài)的分布，目前有兩種常見的設(shè)計(jì)理念[10]，一是CRFM的剛體模態(tài)不與發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激振頻率和非簧載質(zhì)量的Hop/Tramp頻率重合，以免引起共振；二是將CRFM懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)動(dòng)力吸振器，以吸收怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，或非簧載質(zhì)量的Hop/Tramp振動(dòng)，因此CRFM剛體模態(tài)中的一個(gè)或者幾個(gè)接近于(或等于)發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激振頻率或非簧載質(zhì)量的Hop/Tramp頻率。

圖1為某CRFM懸置系統(tǒng)的各支撐點(diǎn)動(dòng)反力的均方根限值，源于國(guó)外某汽車廠的設(shè)計(jì)要求。圖中，f1是非簧載質(zhì)量的Hop/Tramp頻率，f3是轉(zhuǎn)向盤的固有頻率；f2和f4分別是主、輔冷卻風(fēng)扇在各自轉(zhuǎn)速下的激振頻率；fr為各懸置支承處動(dòng)反力均方根值的限值曲線。由圖可見，曲線fr的峰值定在25～28Hz間(對(duì)應(yīng)4缸發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下2階激振頻率的范圍)，說明在該車型的CRFM懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將CRFM作為一個(gè)動(dòng)力吸振器，以吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速振動(dòng)。圖1中對(duì)各懸置支撐點(diǎn)動(dòng)反力均方根值的設(shè)計(jì)要求，間接確定了各個(gè)懸置動(dòng)剛度的限值。

1.2 CRFM的運(yùn)動(dòng)控制要求

汽車在不同的工況下行駛時(shí)，作用在CRFM質(zhì)心處的載荷是不一樣的。為了限制CRFM的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)對(duì)各種極限工況下CRFM的位移加以限制，以避免CRFM與發(fā)動(dòng)機(jī)艙中的其它構(gòu)件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。在國(guó)外某汽車廠的設(shè)計(jì)要求中，給出了CRFM在各方向的極限載荷工況和對(duì)應(yīng)方向上總成質(zhì)心的位移限值，如表1所示。

表1 各方向的載荷工況及CRFM質(zhì)心的位移限值

2 CRFM懸置支承點(diǎn)動(dòng)反力均方根值的計(jì)算

圖2為CRFM懸置系統(tǒng)的力學(xué)模型。CRFM簡(jiǎn)化為6自由度的剛體，通過左上(LU)、右上(RU)、左下(LD)和右下(RD)4個(gè)橡膠懸置支撐在車身或者副車架上。懸置簡(jiǎn)化為沿3個(gè)彈性主軸方向具有剛度和阻尼的元件[4-5]。

汽車坐標(biāo)系Ov-XYZ的原點(diǎn)設(shè)在汽車質(zhì)心上，X軸指向汽車后方，Z軸通過質(zhì)心豎直向上，Y軸由右手法則確定；CRFM的質(zhì)心坐標(biāo)系定義為Gc-XYZ，該坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸與汽車坐標(biāo)系Ov-XYZ中相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行，原點(diǎn)Gc在CRFM的質(zhì)心上，CRFM質(zhì)心的位移用向量X表示，X=(x,y,z,θx,θy,θz)T，其中x、y、z分別為CRFM的質(zhì)心沿X、Y、Z、軸的平動(dòng)位移，而θx、θy、θz則是繞X、Y、Z軸的角位移。

風(fēng)扇不平衡力作用點(diǎn)為Ou，該激振力等效為總成質(zhì)心坐標(biāo)系Gc-XYZ下的力向量UF(unbalanceforce)，UF=(UFX,UFY,UFZ)T。在懸置點(diǎn)i處建立局部坐標(biāo)系Omi-uiviwi，其中ui、vi和wi為懸置i的3個(gè)彈性主軸方向。

CRFM的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣，包含CRFM的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積；RFM為n個(gè)懸置點(diǎn)作用在CRFM質(zhì)心處的合力；EF(externalforce,EF)為由于風(fēng)扇的不平衡引起，作用在總成質(zhì)心處的力和力矩[5]。

冷卻風(fēng)扇由于偏心質(zhì)量的存在，在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生一離心力，使CRFM受迫振動(dòng)。由于風(fēng)扇繞電機(jī)軸線方向旋轉(zhuǎn)(該軸線方向與CRFM質(zhì)心坐標(biāo)系的X方向平行)，因此僅在Y方向和Z方向上有離心力的分量。作用在CRFM上點(diǎn)Ou處的激振力向量UF定義為

(2)

式中：me為偏心質(zhì)量；re為偏心距；ω為冷卻風(fēng)扇作圓周運(yùn)動(dòng)的角速度。

風(fēng)扇不平衡力作用于總成質(zhì)心處的外力EFf和外力矩EFm為

(3)

懸置i作用于CRFM質(zhì)心處的反力RFi(reactionforce,RF)與反力矩RMi(reaction moment,RM)，其計(jì)算公式為

(4)

(5)

n個(gè)懸置點(diǎn)作用于CRFM質(zhì)心處的合力為

(6)

將式(6)代入式(1)，CRFM的運(yùn)動(dòng)分析方程為

(7)

式中:K為懸置系統(tǒng)的總剛度矩陣，其計(jì)算公式為

(8)

由式(7)可知CRFM質(zhì)心位移頻響特性的計(jì)算公式為

X(f)=(-ω2M+K)-1EF(f)

(9)

在求得總成位移頻響特性后，懸置i在Gc-XYZ坐標(biāo)系下動(dòng)反力的頻響特性可通過式(4)求得，動(dòng)反力均方根值為

(10)

3 CRFM的位移控制設(shè)計(jì)

在進(jìn)行CRFM懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，須兼顧整車的模態(tài)分布和CRFM質(zhì)心的位移控制要求。為滿足不同工況載荷下CRFM懸置系統(tǒng)的位移控制要求，各懸置在其3個(gè)彈性主軸方向上的剛度應(yīng)為非線性的。為了計(jì)算方便，可將非線性曲線用5條線性段進(jìn)行擬合，如圖3所示。這種方法已在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的位移控制設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用[4]。

由于橡膠懸置的動(dòng)剛度在低頻范圍內(nèi)變化不大[11-12]，其動(dòng)剛度取值為靜剛度(力-位移非線性曲線中線性段的剛度k3)的1.2倍。參照動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)固有頻率的計(jì)算方法[13]，根據(jù)確定的CRFM的剛體模態(tài)，可以設(shè)計(jì)出CRFM懸置系統(tǒng)中各個(gè)懸置在線性段的動(dòng)剛度。由其動(dòng)靜比，可以確定各懸置在線性段的靜剛度值k3。

在懸置系統(tǒng)的位移控制設(shè)計(jì)中，須建立CRFM質(zhì)心位移的分析方程，由于剛度矩陣中各個(gè)元素的值與作用在懸置上載荷的大小有關(guān)，因此在計(jì)算總成質(zhì)心位移時(shí)要用到迭代算法。通過計(jì)算，可以求出CRFM的質(zhì)心位移和各懸置在其慣性主軸方向的位移。根據(jù)位移控制要求，調(diào)整圖3中非線性段的剛度值(k1、k2、k4和k5)和拐點(diǎn)坐標(biāo)(P1、P2、P4和P5)，使CRFM的質(zhì)心在各種工況下的位移均滿足設(shè)定的限值。詳細(xì)的計(jì)算過程可參考文獻(xiàn)[4]。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 CRFM懸置系統(tǒng)基本參數(shù)

CRFM的質(zhì)量為10kg，在總成質(zhì)心坐標(biāo)系Gc-XYZ下的慣性參數(shù)見表2。冷卻風(fēng)扇的偏心質(zhì)量為8g，偏心距為1mm，總成質(zhì)心、風(fēng)扇不平衡力作用點(diǎn)以及各懸置安裝點(diǎn)在汽車坐標(biāo)系中的位置見表3。

表2 CRFM在質(zhì)心坐標(biāo)系下的慣性參數(shù) kg·m2

表3 總成質(zhì)心、力作用點(diǎn)及各懸置安裝點(diǎn)在汽車坐標(biāo)系中的坐標(biāo) mm

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

各懸置的安裝位置已由汽車主機(jī)廠提供，因此只須設(shè)計(jì)懸置的3向剛度?？紤]到懸置的生產(chǎn)成本、元件的互換性和CRFM質(zhì)量輕的特點(diǎn)，各懸置在設(shè)計(jì)時(shí)盡量相同。為避免懸置在w方向的預(yù)位移過大而產(chǎn)生疲勞問題，該方向的靜剛度宜取較大值，而其它兩個(gè)方向的靜剛度可以小一些。根據(jù)圖1給出的設(shè)計(jì)要求，將CRFM在Z方向的頻率設(shè)計(jì)在25～28Hz的范圍內(nèi)，由此得到的懸置靜剛度見表4。

表4 懸置在局部坐標(biāo)系下的靜剛度 N/mm

表5 CRFM在各方向的振動(dòng)頻率 Hz

圖4為各懸置處動(dòng)反力均方根頻響特性曲線。由圖4可見，各頻響曲線的最大峰值出現(xiàn)在26Hz附近(與垂直方向的振動(dòng)頻率相對(duì)應(yīng))，在怠速工況下CRFM懸置系統(tǒng)有很好的衰減振動(dòng)的能力。

由于懸置還要起到支承和限位的作用，各方向的剛度值不應(yīng)過小，這就不可避免地造成懸置動(dòng)反力均方根值在部分頻段略超過限值要求。但是，峰值處的最大值滿足設(shè)計(jì)要求，這是最重要的。由圖4可見，在冷卻風(fēng)扇的整個(gè)激振頻率范圍內(nèi)，懸置的動(dòng)反力均方根值限制在一個(gè)較低的水平，基本滿足CRFM各個(gè)懸置支撐點(diǎn)動(dòng)反力的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)表1所示的各載荷工況下CRFM的質(zhì)心位移控制要求和文獻(xiàn)[4]所述的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)CRFM懸置系統(tǒng)中各懸置的非線性段剛度值和拐點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)優(yōu)化后的CRFM懸置系統(tǒng)，計(jì)算出各極限工況下總成的位移如表6所示。結(jié)果表明，此四點(diǎn)懸置系統(tǒng)采用同樣剛度的懸置進(jìn)行布置，可以很好地控制CRFM的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到各極限工況下的位移限值要求。圖5為最終設(shè)計(jì)的懸置在其彈性主軸方向的力-位移非線性特性曲線。

表6 各極限工況下CRFM質(zhì)心的位移及限值 mm

5 結(jié)論

本文中提出了CRFM懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；給出了在風(fēng)扇不平衡力作用下，支承點(diǎn)動(dòng)反力均方根值和總成質(zhì)心位移頻響特性的計(jì)算公式；闡述了CRFM懸置系統(tǒng)的位移控制設(shè)計(jì)方法；以一CRFM懸置系統(tǒng)(四點(diǎn)懸置)為設(shè)計(jì)實(shí)例，給出了CRFM剛體的各階固有頻率的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算了在風(fēng)扇不平衡力激勵(lì)下各懸置動(dòng)反力均方根頻響特性曲線，根據(jù)各載荷工況下總成的質(zhì)心位移控制的要求，設(shè)計(jì)了懸置在3個(gè)方向的力-位移非線性特性曲線。文中對(duì)CRFM懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，可以用于CRFM懸置系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)。

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Design Methods of the Mounting System for Condenser-radiator-fan Module in a Vehicle

Wang Tie1, Shangguan Wenlong1, Liu Xiao’ang2& Shangguan Wenbin2

1.SchoolofVehicleandTraffic,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641

The design requirements for the mounting system of a condenser-radiator-fan module (CRFM) in a car are expounded and the calculation formulae for the root mean square of dynamic reaction forces in each mounting point of CRFM under the excitation of the unbalance force in cooling fan are derived.The design technique for the displacement control of CRFM mounts is discussed based on the design method of powertrain mounting system.Finally a calculation example is given with a result showing that CRFM mounting system designed with the method proposed can well meet the design requirements of CRFM mounting system.

vehicles; condenser-radiator-fan module; mounting system; design method

*廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(20120103)資助。

原稿收到日期為2013年5月8日，修改稿收到日期為2013年7月22日。