商用汽車動力總成懸置結(jié)構(gòu)選型方法

歐陽卡

【摘 要】發(fā)動機是汽車的主要振動激勵源之一，對汽車NVH特性有很大的影響。汽車NVH性能是衡量汽車品質(zhì)的一個綜合性能指標，是汽車精品化過程中必須解決的關(guān)鍵問題。設(shè)計合理的汽車動力總成懸置系統(tǒng)可以明顯地降低汽車動力總成和車體的震動。文章介紹發(fā)動機懸置隔振的影響因素和發(fā)動機的激振頻率，以及發(fā)動機懸置系統(tǒng)的解耦設(shè)計方法。對發(fā)動機懸置布置結(jié)構(gòu)（三點懸置結(jié)構(gòu)、四點平置式結(jié)構(gòu)、四點“V”形結(jié)構(gòu)）在成本、裝配工藝、平順性、一致性等方面進行對比，分析對比各結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，確定發(fā)動機懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選型方法。

【關(guān)鍵詞】NVH；懸置隔振；admas；結(jié)構(gòu)選型

【中圖分類號】U463.33 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）12-0034-03

動力總成懸置系統(tǒng)作為汽車振動系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，其振動的傳遞特性對乘坐舒適性和整車NVH性能有很大的影響。汽車動力總成懸置系統(tǒng)是指動力總成（包括發(fā)動機和變速箱）與車架之間的彈性連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)隔振性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)動機激振到駕駛室的傳遞，影響整車的NVH性能。適當懸置動力總成系統(tǒng)懸置結(jié)構(gòu)形式、軟墊參數(shù)、布置位置，可以降低發(fā)動機振動向駕駛室的傳遞，由此降低汽車整車的振動和噪音水平，改善汽車的舒適性。本文介紹發(fā)動機懸置隔振的影響因素和激振頻率，以及發(fā)動機懸置系統(tǒng)的解耦設(shè)計方法，然后通過東風柳州汽車有限公司實際開發(fā)的案例來論述發(fā)動機懸置結(jié)構(gòu)如何選型。

1 發(fā)動機懸置系統(tǒng)隔振的影響因素

發(fā)動機懸置系統(tǒng)主要用于隔振發(fā)動機振動，我們希望發(fā)動機傳給車架及底盤的激振盡可能地小，將發(fā)動機總成（汽車動力總成）作為一個空間剛體，則可把發(fā)動機總成懸置系統(tǒng)簡化為一個彈性體。并且，只有當發(fā)動機的激振頻率和固有頻率大于1.414時，才有可能產(chǎn)生隔振效果。由于無法改變振源的激擾頻率，因此我們只能通過改變系統(tǒng)的固有頻率，使之避開激擾頻率而獲得隔振效果。懸置系統(tǒng)固有頻率主要受懸置系統(tǒng)的布置幾何位置、軟墊性能參數(shù)和選型結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)動機懸置系統(tǒng)前懸零件一般裝配于發(fā)動機缸體前端，后懸零件一般裝配于飛輪殼或者變速箱上，布置幾何位置受制于周邊系統(tǒng)零件的影響，可變動的范圍有限。在軟墊性能參數(shù)方面，降低發(fā)動機懸置軟墊剛度，對平順性隔振有好處，但會導(dǎo)致發(fā)動機的穩(wěn)定性差、相對位移大。軟墊的變形量大，在振動中產(chǎn)生大的阻尼功使得橡膠發(fā)熱，壽命下降。因此，在匹配設(shè)計發(fā)動機懸置系統(tǒng)初期，合理選擇懸置的布置結(jié)構(gòu)尤為重要。

2 發(fā)動機的激振頻率

如果發(fā)動機直接固定在車架上，振動和噪音將有直接傳播的途徑，而合理布置彈性隔振裝置，即可切斷振動和噪音的通路。分析發(fā)動機產(chǎn)生的激振力，可以幫助我們正確地布置和合理地懸置軟墊。發(fā)動機的主要激振是由氣缸體壓力變化而引起的扭轉(zhuǎn)脈動（即點火頻率）及曲軸旋轉(zhuǎn)引起的1階振動。發(fā)動機的點火頻率f=發(fā)動機轉(zhuǎn)速/（發(fā)動機缸數(shù)×沖程轉(zhuǎn)數(shù)）。例如：6缸機怠速700轉(zhuǎn)點火頻率35 Hz；4缸機700轉(zhuǎn)點火頻率23.3 Hz。

3 發(fā)動機懸置系統(tǒng)的解耦設(shè)計

通常，發(fā)動機懸置系統(tǒng)的六個自由度方向的振動是耦合的，這樣不但給計算工作帶來麻煩，而且導(dǎo)致發(fā)動機的振幅加大，振動頻率范圍過寬。這時要想達到比較好的隔振效果，則需要使用更軟的懸置軟墊，這將導(dǎo)致發(fā)動機總成與周圍零部件之間有較大的相對位移，造成與周圍零部件相碰撞，破壞整車的平順性，同時軟墊的大位移，又使軟墊的應(yīng)變增大而影響其使用壽命。因此，現(xiàn)代汽車發(fā)動機懸置的設(shè)計都是朝著完全解耦或部分解耦的方向發(fā)展的。由于完全解耦難度較大，因此通常的做法是使幾個振動模態(tài)獲得解耦。

傳統(tǒng)的解耦方法主要是通過巧妙地布置結(jié)構(gòu)來獲取的，基本原則是以懸置系統(tǒng)的中心主慣性軸為坐標系來布置支承元件，以消除慣性耦合；使橡膠懸置的彈性中心位于系統(tǒng)的扭矩軸上或質(zhì)心處，消除彈性耦合。

從理論上講，如果懸置系統(tǒng)的彈性中心存在并能使之與發(fā)動機總成的質(zhì)心重合[如圖1（a）所示]，則可使懸置系統(tǒng)在六個方向的振動完全解耦。由于受整車布置的限制，實際上這種布置形式是難以實現(xiàn)的。發(fā)動機的主要激勵力只有垂直方向和扭轉(zhuǎn)方向，只要在這2個方向獲得近似解耦就可以了。如果前、后懸置的平面和扭矩軸垂直，并且前、后懸置的彈性中心均落在扭矩軸線上[如圖1（b）所示]，則可使發(fā)動機在y方向的橫向振動、z方向的垂直振動和繞x軸的扭轉(zhuǎn)振動解耦。

4 發(fā)動機懸置結(jié)構(gòu)選型

發(fā)動機的懸置系統(tǒng)多采用三點或者四點結(jié)構(gòu)。一般在發(fā)動機飛輪端設(shè)置1個或者2個支撐點。在飛輪殼或者變速箱上放2個。三點懸置結(jié)構(gòu)，不管汽車如何顛簸、跳動，它總能保證各支點在一個平面上，大大地改善了發(fā)動機的受力情況。同時發(fā)動機落裝便利，易于裝配。四點平置結(jié)構(gòu)安裝支點近似于在一個平面上，顛簸、跳動有一定過約束，但是相對也較小。四點“V”形結(jié)構(gòu)安裝支點不在同一個平面上，汽車顛簸、跳動，會存在過約束，發(fā)動機受力會變差，并且零件各方面累計公差更大，導(dǎo)致車輛一致性差。在隔振方面，四點平置式結(jié)構(gòu)由于前懸遠離扭矩軸，隔振效果稍差于四點“V”形結(jié)構(gòu)。三點懸置和前懸“V”形結(jié)構(gòu)，布置盡量靠近扭矩軸，可以達到很好的隔振效果。在成本方面，由于三點懸置結(jié)構(gòu)零件多，且受制于布置空間限制，零件連接距離大，導(dǎo)致三點懸置結(jié)構(gòu)懸置系統(tǒng)重量較重，零件數(shù)量多，零件成本高。表1為各結(jié)構(gòu)的分析對比。

懸置系統(tǒng)的隔振特性主要取決于發(fā)動機懸置結(jié)構(gòu)形式、布置幾何位置，以及懸置軟墊的性能參數(shù)等特性。對懸置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行合理配置，以達到最大的減震和隔振效果。目前，動力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計方法就是通過優(yōu)化計算，合理設(shè)計懸置的剛度、布置和結(jié)構(gòu)形式，使整個懸置系統(tǒng)具有較高的振動解耦程度，減少發(fā)動機和車間的振動傳遞。

下面介紹東風柳州汽車有限公司匹配某四缸機總成懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選型分析案例。發(fā)動機怠速為700轉(zhuǎn)/min，激振頻率為23.3 Hz。發(fā)動機懸置系統(tǒng)隔振計算輸入?yún)?shù)，包含動力總成參數(shù)、發(fā)動機懸置軟墊動靜剛度、布置幾何位置及結(jié)構(gòu)。

（1）動力總成參數(shù)包含轉(zhuǎn)動慣量、重量、重心參數(shù)，需要通過轉(zhuǎn)動慣量測試儀測量獲取。動力總成包含變速箱和發(fā)動機總成，如果不好直接測量，總成參數(shù)可分別對變速箱和發(fā)動機單獨測量，然后通過admas對參數(shù)合成為總成參數(shù)。該動力參數(shù)總成總質(zhì)量為743.59 kg，動力總成重心為x=276.86，y=1.76，z=117.64，轉(zhuǎn)動慣量及慣性積分別為Ixx=33.97，Iyy=147.39，Izz=137.43，Ixy=-1.16，Ixz=22.18，Iyz=-6.18。

（2）軟墊動靜剛度根據(jù)軟墊本身特性、軟墊受力及運用admas隔振計算合理選擇，可通過軟墊壓縮量不超過8 mm的原則，以及運用admas軟件在不同剛度下計算解耦以及固有頻率進行選取。動靜比需要根據(jù)軟墊廠家的制造能力制造，目前一般動靜比要求為1.4。

（3）發(fā)動機懸置布置幾何位置需要根據(jù)解耦設(shè)計原理，在滿足布置需求的前提下，彈性支點盡量靠近扭轉(zhuǎn)軸（如圖2所示）。前懸后懸彈性中心位置需要盡量靠近主扭矩軸。

（4）發(fā)動機懸置結(jié)構(gòu)分別采用三點懸置結(jié)構(gòu)、四點平置式結(jié)構(gòu)、四點“V”形結(jié)構(gòu)。前懸布置在發(fā)動機缸體前端部位，后懸布置于飛輪殼上。

獲取了上述參數(shù)后，通過admas隔振分析軟件計算，可輸出固有頻率和解耦率、軟墊受力、壓縮變形等參數(shù)。圖3所示為采用三點懸置結(jié)構(gòu)，前懸剛度為x=83，y=81，z=504，后懸剛度x=575，y=125，z=287，Rx向固有頻率為9.8 Hz，預(yù)計隔振率為77.16%。

發(fā)動機懸置結(jié)構(gòu)分別采用三點懸置結(jié)構(gòu)、四點平置式結(jié)構(gòu)、四點“V”形結(jié)構(gòu)進行隔振計算。圖4為各個結(jié)構(gòu)采用不同剛度，運用amdas分析軟件，計算出來的結(jié)果。預(yù)計隔振率為根據(jù)z向或者Rx向最大固有頻率換算對應(yīng)的隔振率。

通過計算分析，四點“V”形結(jié)構(gòu)預(yù)計隔振率為67.54%，四點平置式結(jié)構(gòu)預(yù)計最大隔振率為66.63%，三點懸置結(jié)構(gòu)最大隔振率為77.16%。采用三點懸置結(jié)構(gòu)隔振方面最優(yōu)。而且，三點懸置結(jié)構(gòu)發(fā)動機落裝便利，易于裝配。三個安裝支點共面，一致性及受力方面較好。但是三點懸置結(jié)構(gòu)受制于布置空間限制，零件連接距離大，導(dǎo)致系統(tǒng)重量較重，零件數(shù)量多。通過綜合分析，雖然三點懸置結(jié)構(gòu)成本較高，但為使得車輛得到最佳的隔振性能，提高車間裝配人員的便利性，提高產(chǎn)品的一致性及車輛的可靠性，該發(fā)動機采用三點懸置結(jié)構(gòu)方案。

5 結(jié)語

汽車動力總成懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇影響到整車的NVH性能、可靠性、生產(chǎn)的制造成本、生產(chǎn)裝配便利性及產(chǎn)品的一致性。動力總成懸置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要在滿足可靠性、布置要求的前提下，盡量采用裝配便利、生產(chǎn)一致性好、隔振性能較優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。通過合理選取發(fā)動機懸置軟墊剛度，軟墊布置幾何位置盡量靠近扭轉(zhuǎn)軸等原則，通過隔振解耦計算，分析對比各方案的固有頻率及解耦率，綜合各方面因素，最終決定發(fā)動機懸置采用何種結(jié)構(gòu)形式。

參 考 文 獻

[1]濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]劉濤.汽車設(shè)計[M].北京：北京大學出版社，2008.

[4]呂振華，范讓林，馮振東.汽車動力總成隔振懸置的設(shè)計思想分析[J].內(nèi)燃機工程，2004（3）.

[責任編輯：鐘聲賢]