某重型卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置優(yōu)化設(shè)計(jì)

高艷軍

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某重型卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置優(yōu)化設(shè)計(jì)

高艷軍

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要針對(duì)某重卡發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊在試驗(yàn)時(shí)開(kāi)裂的現(xiàn)象，進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研和收集故障信息，之后較全面的分析出發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊裂紋形成的原因，并對(duì)膠墊結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保優(yōu)化后的懸置膠墊符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)懸置膠墊的剛度性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置；裂紋；剛度；優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.002

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-04-03

前言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具備良好的減振效果，能有效隔離發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)向車(chē)體的傳遞，降低車(chē)體的振動(dòng)水平，減小發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車(chē)體的影響，另外發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)還應(yīng)具備一定的可靠性。所以對(duì)于整車(chē)而言必須設(shè)計(jì)一種合理的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)，降低隔振后整機(jī)的振動(dòng)烈度，避免造成構(gòu)件殘余變形和裂紋，加速機(jī)器失效，影響車(chē)輛行駛的平順性和駕駛舒適性。

安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)架之間的橡膠減振墊由于安裝位置比較隱蔽，膠墊開(kāi)裂初期很難察覺(jué)，致使斷裂發(fā)生后造成動(dòng)力總成異常工作，影響車(chē)輛行駛車(chē)主才能得知，此時(shí)必然造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文通過(guò)對(duì)某重卡發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能分析，找出其設(shè)計(jì)缺陷，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)優(yōu)化后結(jié)果。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置膠墊故障分析

1.1 故障描述

根據(jù)試驗(yàn)反饋，某重型牽引車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊開(kāi)裂，屬于較嚴(yán)重試驗(yàn)故障。影響試驗(yàn)進(jìn)展，故障圖如下圖1所示：

圖1 懸置腳墊故障圖

由故障形式可以看出有三個(gè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度相對(duì)比較大，分別位于橡膠與上下兩塊鋼板交界面處和橡膠內(nèi)部與金屬件交界處，應(yīng)力強(qiáng)度常呈帶狀分布，這種結(jié)構(gòu)膠墊工作使用時(shí)，這三個(gè)區(qū)域是疲勞失效最先發(fā)生的地方，成為結(jié)構(gòu)的疲勞源。即在不考慮結(jié)構(gòu)微觀裂紋及橡膠澆鑄中可能出現(xiàn)氣孔的情況下，結(jié)構(gòu)疲勞失效總是最先發(fā)生在表面上，而疲勞破壞起因往往是由于初始細(xì)小裂紋的產(chǎn)生后急劇增大導(dǎo)致整體橡膠懸置撕裂。

1.2 故障原因分析

橡膠與金屬結(jié)合面整齊，橡膠壓縮變形后被金屬棱邊割破產(chǎn)生初始裂紋。

橡膠內(nèi)設(shè)置限位銷(xiāo)，懸置剪切變形后被銷(xiāo)子尖角割破，橡膠內(nèi)部產(chǎn)生初始裂紋后擴(kuò)散到外面。

膠墊金屬板太長(zhǎng)，拉伸變形后與橡膠結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)合面形成初始裂紋并沿結(jié)合面曼延

側(cè)向剪切剛度底，壓剪比過(guò)大，致使膠墊使用過(guò)程中存在較大變形。

根據(jù)以上分析情況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊進(jìn)行重新結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置膠墊優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置相關(guān)參數(shù)確定

（1）確定動(dòng)力總成的總質(zhì)量。

發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量為875kg，變速箱總成的質(zhì)量為270kg，離合器50kg。動(dòng)力總成的總重量為1195kg.

（2）確定動(dòng)力總成的質(zhì)心位置（以飛輪殼后端面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向前為X+，向右為Y+，向上為Z+）．根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)，可以查出發(fā)動(dòng)機(jī)裝置總成的質(zhì)心位置，（647， 0， 100），根據(jù)變速箱廠家提供的數(shù)據(jù)，可以得出變速箱裝置的質(zhì)心位置（-365，0，15）。動(dòng)力總成模型如如圖2。在動(dòng)力總成中，排氣管、線束等相對(duì)整個(gè)動(dòng)力總成的重量都很小，這里可以忽略考慮。

圖2 動(dòng)力總成懸置模型

（3）確定各點(diǎn)參數(shù)值。

設(shè)前懸置支撐力為F1，后懸置支撐力為F2；

發(fā)動(dòng)機(jī)重量為G1=8575N，變速箱加離合器重量為G2=3136N；

發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心距離前支撐點(diǎn)距離為L(zhǎng)1=505mm；發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心距離后支撐點(diǎn)距離為L(zhǎng)2=579mm；變速箱質(zhì)心距離前支撐點(diǎn)距離為L(zhǎng)3=1517mm；變速箱質(zhì)心距離后支撐點(diǎn)距離為L(zhǎng)4=433mm；（4）前后懸置支撐點(diǎn)受力分析

由于靜態(tài)情況下變速箱懸置不受力，所以此次計(jì)算不考慮變速箱懸置支撐力。以發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置支撐點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心列力矩平衡方程：

G1×L1＋G2×L3=F2×（L1＋L2）

得靜態(tài)情況下后懸置受力F2=（G1×L1＋G2×L3）/（L1＋L2）=8379N

以發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置支撐點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心列力矩平衡方程：G1×L2－F1×（L1＋L2）=G2×L4

得前懸置靜態(tài)受力為F1=（G1×L2－G2×L4）/（L1＋L2）=3332N

前懸置為對(duì)稱(chēng)45度傾斜布置，所以單個(gè)懸置膠墊垂直方向受力為3332×COS45°=2356N

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置膠墊剛度計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)外激干擾頻率：

懸置系統(tǒng)的傳遞率要求：

T=10%

懸置系統(tǒng)的自振頻率：

懸置軟墊靜變形量：

前懸置軟墊的靜剛度：

天然橡膠動(dòng)靜剛度比：1.2～1.6 選取動(dòng)靜剛度比1.4。

根據(jù)已經(jīng)計(jì)算出的額定負(fù)荷下軟墊靜剛度求解在額定負(fù)荷下固有頻率時(shí)的懸置動(dòng)剛度。

范圍為：（1499±150）。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置膠墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上計(jì)算和分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊進(jìn)行以下結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化：

（1）在橡膠件與金屬件的粘合過(guò)渡處采用圓滑過(guò)渡并且使膠體向?qū)嶓w部分收縮而不應(yīng)鼓出。這樣避免膠體壓縮時(shí)金屬銳邊切入膠體, 使膠體開(kāi)裂直至脫落。

（2）在橡膠體周邊避免銳棱拐角, 即使在膠體內(nèi)部結(jié)合面也采用圓滑過(guò)度。

（3）相比優(yōu)化前在膠墊中間增加鋼板提高抗剪切能力，有利于懸置膠墊可靠性提高。

（4）把上下骨架尺寸盡量縮小，避免鋼板骨架變形與橡膠結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力集中。

（5）根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化后前懸置膠墊靜剛度為（1071 ±100）N/mm。

優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊可靠性達(dá)到提高，消除了應(yīng)力集中部分，如下圖3所示：

圖3 優(yōu)化后膠墊總成圖

3、優(yōu)化前后的懸置膠墊臺(tái)架試驗(yàn)及道路驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化前的懸置膠墊性能測(cè)試

首先對(duì)優(yōu)化前的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試懸置膠墊的性能符合性。試驗(yàn)如下圖4所示：

圖4 優(yōu)化前的膠墊實(shí)驗(yàn)圖

分別測(cè)試加載和卸載兩種試驗(yàn)工況下懸置膠墊的剛度值，可以看出優(yōu)化前的剛度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，由于靜態(tài)剛度不滿(mǎn)足要求所以不進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表1所示：

表1 優(yōu)化前的膠墊靜剛度試驗(yàn)結(jié)果

接下來(lái)對(duì)優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，確定懸置膠墊的靜剛度和動(dòng)剛度符合性。試驗(yàn)如下圖5所示：

圖5 優(yōu)化后的膠墊實(shí)驗(yàn)圖

分別測(cè)試加載和卸載兩種試驗(yàn)工況下懸置膠墊的剛度值，可以看出優(yōu)化后的懸置膠墊剛度與設(shè)計(jì)值比較符合，測(cè)試結(jié)果如下表2和表3所示：

表2 優(yōu)化后的膠墊靜剛度試驗(yàn)結(jié)果

表3 優(yōu)化后的膠墊動(dòng)剛度試驗(yàn)結(jié)果

由對(duì)比圖表和以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊靜剛度有所提高，更接近理論計(jì)算結(jié)果。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的減振和可靠性都得到進(jìn)一步提升。

3.2 優(yōu)化后的膠墊道路試驗(yàn)驗(yàn)證情況

根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置膠墊的優(yōu)化措施，將優(yōu)化后的膠墊進(jìn)行裝車(chē)驗(yàn)證，驗(yàn)證優(yōu)化后懸置的可靠性，并進(jìn)行試驗(yàn)跟蹤，優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊在整車(chē)可靠性試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，由此判定發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的開(kāi)裂故障得到了有效解決。

4、結(jié)論

本文針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置膠墊開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行重新設(shè)計(jì)匹配，消除應(yīng)力集中區(qū)域，避免懸置膠墊形成初始裂紋，提高懸置膠墊剛度，降低壓剪比。對(duì)優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置膠墊進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證懸置剛度符合設(shè)計(jì)要求，最后通過(guò)裝車(chē)道路試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置膠墊沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。

[1] 周志革,武一民. 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J] . 機(jī)械設(shè)計(jì),2003.

[2] 上官文斌,等. 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J] . 汽車(chē)工程,1992 (2).

[3] 余志生. 汽車(chē)?yán)碚?北京.清華大學(xué)出版社.2000 .

The optimization design of the engine mounting in a heavy tractor

Gao Yanjun

( Anhui Jianghuai Automobile Group. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper.the phenomenon of cracking on the experiment for a heavy truck engine mounts.detailed research and collect the failure information. after a comprehensive analysis of the reasons for the formation of the engine mounting pads crack. pad structureand optimize the performance of the design to ensure that the optimized suspension pads to meet the design requirements. test validation of the stiffness properties of the suspension pad.

engine mounting; crack; stiffness; Optimization

U462.1

A

1671-7988 (2017)05-04-03

高艷軍，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。